HZB: Batterien mit Silizium-Anoden verbessern

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 sinke die Kapazität von Silizium-Anoden mit jedem weiteren Lade-Entladezyklen stark ab. Nun habe ein Team des Helmholtz Zentrum Berlin mit Neutronenexperimenten am BER II in Berlin und am Institut Laue-Langevin in Grenoble aufgeklärt, was an der Oberfläche der Silizium-Anode 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 HZB-Physiker Dr. Sebastian Risse. Diese Schicht bestehe aus organischen Molekülen aus der Elektrolyt-Flüssigkeit und anorganischen Bestandteilen. Beim Aufladen löse sich diese 30-60 Nanometer dünne Schicht teilweise wieder auf, sodass die Lithium-Ionen in die Silizium-Anode eindringen könnten. Für das Auflösen der Schicht werde jedoch Energie benötigt, die dann nicht mehr zur Speicherung zur Verfügung stehe. Die Physiker verwendeten die gleiche Elektrolyt-Flüssigkeit, die auch in kommerziellen Lithium-Batterien genutzt werde.

Mehrere Ladezyklen beobachtet

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

Sobald diese Blockade-Schicht aufgelöst sei, steige die Effizienz der Ladungs-Entladungszyklen auf 94 Prozent, (94 % der abgespeicherten Ladung kann wieder ausgeliefert werden). Dieser Wert sei höher als der von Bleibatterien (90 %), aber etwas niedriger als der von technisch sehr ausgereiften Lithium-Ionen-Batterien, die bis zu 99,9 % erreichten. „Wir wollen nun untersuchen, ob sich durch Aufbringen einer sehr dünnen Schutzschicht aus Metalloxid die Bildung der Blockadeschicht verhindern lässt, sodass die Kapazität von Silizium-Anoden im Lauf von vielen Lade-Entladezyklen weniger stark sinkt“, sagt Risse. Die Studie wurde unter dem Titel “Surface structure inhibited lithiation of crystalline silicon probed with operando neutron reflectivity” in der Zeitschrift „Energy Storage Materials“ (Impaktfaktor 13) veröffentlich.

-> Quelle: helmholtz-berlin.de/batterien_mit_silizium-anoden