Energiespeicher-Forschung: Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus könnte um das Sechsfache gesteigert werden

Ein Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien hat erstmals detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern. Ihre Arbeit zeigt, dass schon extrem dünne Si-Schichten ausreichen, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren.

Lithium-Ionen dringen beim Aufladen nicht tief in das Silizium ein
Mit Neutronenmessungen am Institut Laue-Langevin (Grenoble, Frankreich) konnten die Forscher zeigen, dass die Lithium-Ionen beim Aufladen 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.
Elektroautos zum Beispiel kommen mit den gängigen Lithium-Ionen-Akkus noch nicht sehr weit. Das liegt an den zurzeit verwendeten Elektroden aus Graphitschichten. Halbleitermaterialien wie Silizium sind als Alternative im Gespräch, da sie enorme Mengen an Lithium aufnehmen können.

Lithium-Ionen zerstören die Kristallstruktur des Siliziums
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.
Das Team aus dem HZB-Institut unter Leitung von Prof. Dr. Matthias Ballauff hat erstmals eine Halbzelle aus Lithium und Silizium beim Be- und Entladen direkt beobachtet. „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“, erklärt Dr. Beatrix- Kamelia Seidlhofer.
Dabei fanden sie zwei unterschiedliche Zonen: Nahe der Grenzfläche zum Elektrolyten bildet sich eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt. Daran schließt sich eine zweite lithiumärmere Schicht an. Beide Schichten zusammen sind nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 Nanometer dick.

Sechsfache Kapazität theoretisch erreichbar
Nach dem Entladen bleibt in der Silizium-Grenzschicht zum Elektrolyten etwa ein Lithium-Ion pro Silizium-Platz in der Elektrode zurück. Damit errechnet Seidlhofer, dass die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien bei etwa 2300 Milliamperestunden/Gramm liegt. Das ist mehr als das Sechsfache der theoretisch maximal erreichbaren Kapazität bei einem Lithium-Ionen-Akku, der mit Graphit arbeitet (372 mAh/g).
Aus dieser Arbeit ergeben sich konkrete Hinweise für das Design von guten Silizium-Elektroden: Sehr dünne Siliziumfilme müssten demnach ausreichen, um sehr viel Lithium aufzunehmen, was Material und Energie bei der Herstellung spart.
Die Arbeit wurde in der Zeitschrift ACSnano der American Chemical Society veröffentlicht.

09.08.2016 | Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH