Lithium verspricht (noch) mehr Kapazität

Helmholtz-Forscher halten 6-fache Steigerung bei Li-Ion-Akkus für möglich

Li-Ionen-Batterie am Berliner Effizienzhaus Plus- Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für SolarifyAktuelle Lithium-Ionen-Batterien verwenden Elektroden aus Graphitschichten, die nur eine begrenzte Anzahl von Lithium-Ionen einlagern können – mit der Folge, dass sich die Kapazität der aktuellen Lithium-Ionen-Akkus kaum weiter steigern lässt. Ein Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien des Helmholtz-HZB logoZentrum Berlin (HZB) hat laut einer Medienmitteilung erfolgreich ein alternatives Material getestet.

Silizium - Foto © Enricoros, GemeinfreiAls Alternative zum Graphit empfiehlt sich beispielsweise Silizium (Foto li.) als Halbleitermaterial, da es in der Lage ist, große Mengen an Lithium aufzunehmen. Jedoch zerstört das Einwandern der Lithium-Ionen die Kristallstruktur des Siliziums. Die Helmholtz-Forscher haben nun erstmals detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern – und gezeigt, dass Lithium-Ionen-Akkus ihre Kapazität um das 6-fache erhöhen können, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde.

Lithiumreiche Zone nur 20 Nanometer dick

Lithium, gegen Oxydation in Paraffinöl - Foto © upload.wikimedia.orgDie Forschungen zeigten, dass schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren. Am Institut Laue-Langevin in Grenoble konnten die Wissenschaftler mit Neutronenmessungen nachverfolgen, dass beim Aufladen die Lithium-Ionen nicht tief in das Silizium eindringen, sondern sich vor allem in der unmittelbaren Grenzschicht einlagern.

Li-Ion-Batterie - Grafik © HZB[note Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten (gelb) in die Schicht aus kristallinem Silizium (c-Si) ein. Im Lauf der Beladung bildet sich eine 20 Nanometer dünne Schicht (rot) in der Silizium-Elektrode, die extrem viele Lithium-Atome aufnimmt. Skizze © HZB]

Dabei entsteht eine nur 20 Nanometer dünne Schicht, die extrem viel Lithium enthält: Auf 10 Silizium- kommen 25 Lithium-Atome. Daran schließt sich eine zweite lithiumärmere Schicht an. Hier kommt auf 10 Silizium-Atome nur noch ein Lithium-Atom. Beide Schichten zusammen sind nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 nm dick. Daher, so die Folgerung, würden schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen.

6-fache Kapazität theoretisch erreichbar

Beatrix-Kamelia Seidlhofer - Foto © helmholtz-berlin.de“Mit der Methode der Neutronenreflektometrie konnten wir präzise verfolgen, wo sich Lithium-Ionen in der Silizium-Elektrode einlagern und auch, wie schnell sie sich bewegen”, so Dr. Beatrix-Kamelia Seidlhofer, die die Experimente an der Neutronenquelle im Institut Laue-Langevin durchgeführt hat. ILL logoSeidlhofer hat errechnet, dass die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien bei etwa 2.300 Milliamperestunden/Gramm liegt – mehr als das 6-fache der theoretisch maximal erreichbaren Kapazität bei einem Lithium-Ionen-Akku, der mit Graphit arbeitet (372 mAh/g).

Aus dieser Arbeit ergeben sich sehr konkrete Hinweise für das Design von guten Silizium-Elektroden: Sehr dünne Siliziumfilme müssten demnach völlig ausreichen, um maximal viel Lithium aufzunehmen, was wiederum Material und vor allem Energie bei der Herstellung spart.

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