Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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
Weitere Informationen:
http://www.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Materialwissenschaft: Widerstand wächst auch im Vakuum
22.06.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften