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Vielversprechendes Material für Lithium-Ionen-Akkus

06.06.2013
Neue Gerüststruktur aus Bor und Silicium könnte den Weg zu höheren Kapazitäten weisen

Laptops könnten länger arbeiten und Elektroautos weiter fahren wenn es gelänge, die Kapazität ihrer Lithium-Ionen-Akkus weiter zu steigern. Einen entscheidenden Einfluss darauf hat ihr Elektrodenmaterial.


Lithium-Borsilicid-Gerüststruktur - Bild: T. Fässler/TUM

Bisher besteht die negative Elektrode meist aus Graphit, dessen Schichten eine begrenzte Menge an Lithium einlagern können. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun ein Material aus Bor und Silizium entwickelt, das den Weg zu Systemen mit höheren Speicherkapazitäten weisen könnte.

Lädt man einen Lithium-Ionen-Akku, entstehen Lithium-Atome. Die Graphitschichten der negativen Elektrode nehmen sie auf. Doch die Kapazität des Graphits ist begrenzt: Auf sechs Kohlenstoff-Atome kommt maximal ein Lithium-Atom. Silicium könnte bis zu zehnmal mehr Lithium aufnehmen. Aber leider dehnt es sich dabei stark aus, was bei der Anwendung als Akku zu bisher nicht gelösten Problemen führt.

Auf der Suche nach einer Alternative zu reinem Silicium gelang es Wissenschaftlern der TU München nun, aus Bor und Silicium eine völlig neue Gerüststruktur aufzubauen, die sich als Elektrodenmaterial eignen könnte. Ähnlich wie die Kohlenstoff-Atome im Diamanten sind die Bor- und Silicium-Atome im neuen Lithium-Borsilicid (LiBSi2) tetraederförmig miteinander verbunden. Doch anders als der Diamant bilden sie zusätzlich Kanäle aus. „Offene Strukturen mit Kanälen bieten prinzipiell die Möglichkeit Lithium ein- und wieder auszulagern“, sagt Thomas Fässler, Professor am Lehrstuhl für Anorganische Chemie der TU München. „Das ist eine wichtige Voraussetzung zur Anwendung als Material für die Anode in Lithium-Ionen-Akkus.“

Hochdrucksynthese

Im Hochdrucklabor des Departments of Chemistry and Biochemistry der Arizona State University gelang es den Wissenschaftlern, die Ausgangsstoffe Lithiumborid und Silicium zur Reaktion zu bringen. Bei einem Druck von 100.000 Atmosphären und Temperaturen um 900 ° Celsius bildete sich das gewünschte Lithium-Borsilicid. „Es ist eine Menge Fingerspitzengefühl und viel Erfahrung notwendig, um das richtige Verhältnis der Grundmaterialen und die richtigen Parameter herauszufinden“, erklärt Thomas Fässler.

Lithium-Borsilicid ist gegenüber Luft und Feuchtigkeit stabil und widersteht auch Temperaturen bis zu 800° Celsius. Als nächstes wollen Thomas Fässler und sein Doktorand Michael Zeilinger näher untersuchen, wie viele Lithium-Atome das Material aufnehmen kann und ob es sich beim Ladevorgang ausdehnt. Aufgrund seiner Kristallstruktur etwa könnte das Material sehr hart sein, was es auch als Diamant-Ersatz interessant machen würde.

Da die Struktur des Lithium-Borsilicids bisher einzigartig ist, durften Fässler und Zeilinger ihrem neuen Gerüst einen Namen geben. Zu Ehren ihrer Universität entschieden sie sich für den Namen „tum“.

Weitere Kooperationspartner des Projekts waren die Fakultät für Physik der Universität Augsburg und das Department of Materials and Environmental Chemistry der Universität Stockholm. Die Arbeit wurde unterstützt mit Mitteln der TUM Graduate School, des Fonds der Chemischen Industrie, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Swedish Research Council und der National Science Foundation, USA.


Publikationen:

Michael Zeilinger, Leo van Wüllen, Daryn Benson, Verina F. Kranak, Sumit Konar, Thomas F. Fässler, and Ulrich Häussermann, LiBSi2: A Tetrahedral Semiconductor Framework from Boron and Silicon Atoms Bearing Lithium Atoms in the Channels, Angewandte Chemie 2013, 52, online: DOI:10.1002/ange.201301540.
Link: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201301540/abstract

Michael Zeilinger, Daryn Benson, Ulrich Häussermann, Thomas F. Fässler: Single crystal growth and thermodynamic stability of Li17Si4, Chemistry of Materials 2013, 25, 1960–1967.

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas F. Fässler
Technische Universität München
Lehrstuhl für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien
Lichtenbergstr. 4, 85747 Garching, Germany
Tel. +49 89 289 13131
E-Mail: thomas.faessler@lrz.tum.de
Internet: http://www.ch.tum.de/faessler/index.htm


Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 500 Professorinnen und Professoren, 9.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 32.000 Studierenden eine der führenden technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunktfelder sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften, Medizin und Wirtschaftswissenschaften. Nach zahlreichen Auszeichnungen wurde sie 2006 und 2012 vom Wissenschaftsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Exzellenzuniversität gewählt. In nationalen und internationalen Vergleichsstudien rangiert die TUM jeweils unter den besten Universitäten Deutschlands. Die TUM ist dem Leitbild einer forschungsstarken, unternehmerischen Universität verpflichtet. Weltweit ist die TUM mit einem Forschungscampus in Singapur sowie Niederlassungen in Peking (China), Brüssel (Belgien), Kairo (Ägypten) und Sao Paulo (Brasilien) vertreten.

Dr. Andreas Battenberg | Technische Universität München
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