Gesteigerte Kapazität von Lithium-Ionen Akkus

Lithium-Ionen-Akkus könnten ihre Kapazität um das Sechsfache erhöhen, wenn ihre Anode statt aus Graphit aus Silizium bestünde.

Arbeiten am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB-Institut) haben gezeigt, dass schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren. Mit Neutronenmessungen konnten die Forscher zeigen, dass beim Aufladen die Lithium-Ionen nicht tief in das Silizium eindringen, sondern sich vor allem in der unmittelbaren Grenzschicht einlagern: So entsteht eine nur 20 Nanometer dünne Schicht, die extrem viel Lithium enthält. Damit würden schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen. 

Derzeit verwendete Elektroden aus Graphitschichten können nur eine begrenzte Anzahl von Lithium-Ionen einlagern, so dass sich die Kapazität der aktuellen Lithium-Ionen-Akkus kaum weiter steigern lässt. Daher sind Halbleitermaterialien wie Silizium als Alternative zum Graphit im Gespräch. Silizium ist in der Lage, enorme Mengen an Lithium aufzunehmen. Allerdings zerstört das Einwandern der Lithium-Ionen die Kristallstruktur des Siliziums. Dabei kann das Volumen auf das Dreifache anschwellen, was zu großen mechanischen Spannungen führt.

Beim Be- und Entladen fanden die Forscher zwei unterschiedliche Zonen. Nahe der Grenzfläche zum Elektrolyten bildet sich eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt: Auf zehn Silizium- kommen 25 Lithium-Atome. Daran schließt sich eine zweite lithiumärmere Schicht an. Hier kommt auf zehn Silizium-Atome nur noch ein Lithium-Atom. Beide Schichten zusammen sind nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 Nanometer dick.Nach dem Entladen bleibt in der Silizium-Grenzschicht zum Elektrolyten etwa ein Lithium-Ion pro Silizium-Platz in der Elektrode zurück. Damit kann man die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien auf etwa 2300 Milliamperestunden/Gramm berechnen. Das ist mehr als das Sechsfache der theoretisch maximal erreichbaren Kapazität bei einem Lithium-Ionen-Akku, der mit Graphit arbeitet (372 mAh/g).

Bild: HZB – Lithium-Ionen Akku mit Silizium Anode. Im Lauf der Beladung bildet sich eine 20 Nanometer dünne Schicht (rot) in der Silizium-Elektrode, die extrem viele Lithium-Atome aufnimmt.

2.9.16
AK


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