Technologie

Akkus mit Siliziumanoden

29.01.2019 - Neutronenexperimente zeigen, wie Oberflächenstrukturen die Kapazität reduzieren.

Theo­retisch könnten Anoden aus Silizium zehnmal mehr Lithium-Ionen speichern als die Graphit-Anoden, die seit vielen Jahren in kommer­ziellen Lithium-Batterien einge­setzt werden. Doch bisher sinkt die Kapazität von Siliziumanoden mit jedem weiteren Lade-Entlade­zyklen stark ab. Nun hat ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin HZB mit Neutronen­experimenten am BER II und am Institut Laue-Langevin in Grenoble aufgeklärt, was an der Oberfläche der Silizium­anode während des Aufladens passiert und welche Prozesse die Kapa­zität reduzieren.

„Mit den Neutronen­experimenten und weiteren Messungen konnten wir beobachten, wie sich beim Aufladen an der Silizium­oberfläche eine blockierende Schicht bildet, die das Eindringen von Lithium-Ionen behindert“, erläutert der Sebas­tian Risse. Diese Schicht besteht aus orga­nischen Molekülen aus der Elektrolyt-Flüssig­keit und anor­ganischen Bestand­teilen. Beim Aufladen löst sich diese dreißig bis sechzig Nanometer dünne Schicht teilweise wieder auf, sodass die Lithium-Ionen in die Silizium­anode eindringen können. Für das Auflösen der Schicht wird jedoch Energie benötigt, die dann nicht mehr zur Speicherung zur Verfügung steht. Die Physiker verwendeten die gleiche Elek­trolyt-Flüssig­keit, die auch in kommerziellen Lithium-Batterien genutzt wird.

Nach Vorunter­suchungen der Neutronen­quelle BER II des HZB brachten die Experimente am Institut Laue-Langevin ILL in Grenoble den genauen Einblick in die Prozesse. „Am Reaktor des ILL stehen kalte Neutronen mit einem sehr hohen Fluss zur Verfügung, mit denen wir die Silizium­anode während mehrerer Lade­zyklen zerstörungs­frei beo­bachten konnten“, erklärt Risse. Mit einer am HZB entwickelten Messzelle konnten die Physiker die Siliziumanoden während der Lade-Entlade­zyklen mit Neutronen untersuchen und dabei auch eine Reihe von anderen Mess­werten wie den elek­trischen Widerstand mit Impedanz-Spektro­skopie erfassen.

Sobald diese Blockade­schicht aufgelöst ist, steigt die Effizienz der Ladungs-Entladungs­zyklen auf 94 Prozent. Dieser Wert ist höher als der von Blei­batterien (90 Prozent), aber etwas niedriger als der von technisch sehr ausge­reiften Lithium-Ionen-Batterien, die bis zu 99,9 Prozent erreichen. „Wir wollen nun unter­suchen, ob sich durch Aufbringen einer sehr dünnen Schutz­schicht aus Metalloxid die Bildung der Blockade­schicht verhindern lässt, sodass die Kapazität von Silizium­anoden im Lauf von vielen Lade-Entlade­zyklen weniger stark sinkt“, sagt Risse.

HZB / JOL

Weitere Infos

Produkte des Monats

Fluid-Struktur-Interaktion simulieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung

Produkte des Monats

Fluid-Struktur-Interaktion simulieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung