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

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