Akku an Silizium aufladen, nicht an Kohlenstoff

Anoden aus Silizium lösen vielleicht bald Graphit ab. (c) Wiley-VCH

Demnächst enthalten Lithiumionenakkumulatoren möglicherweise keine Anode aus Graphit mehr. Silizium als Anodenmaterial bietet eine viel höhere Ladungskapazität, aber seine Kristallinität war bislang von Nachteil. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen chinesische Wissenschaftler eine poröse amorphe Siliziummodifikation vor, die anderen Anodenmaterialen in wiederaufladbaren Batterien deutlich überlegen sein könnte.

Die derzeit gängigste Anode in Lithiumionenakkumulatoren besteht aus Kohlenstoff in seiner Graphitmodifikation. Allerdings hat ausgerechnet Graphit eine relativ niedrige Ladungskapazität. Weitere bekannte Probleme von Lithiumionenbatterien sind eine geringe Zyklenanzahl, steigender interner Widerstand während der Ladezyklen, Alterung sowie Sicherheitsaspekte.

Die nächstliegende Alternative zu Kohlenstoff wäre Silicium, das eine fast zehnfach höhere theoretische Ladungskapazität als Graphit bietet. Der Lade- und Entladevorgang wird jedoch zum Problem: Ausdehnen und Schrumpfen bei den Zyklen führt zu Pulverisierung und Kapazitätseinbruch. Jian Yang und seine Kollegen an der Shangdong-Universität in China haben jetzt eine amorphe poröse Siliziummodifikation hergestellt, die diese Nachteile kompensiert.

Den amorphen Zustand von Silizium zu nehmen, sei eigentlich die logische Konsequenz, weil das Silizium sowieso amorph ende, erläutern die Wissenschaftler: „Da das Silizium durch die elektrochemische Lithiierung/Delithiierung im Endeffekt amorph wird, ist es sehr attraktiv, es von vorneherein in diesem Zustand einzusetzen.“

Gezielt amorphes Silizium herzustellen, ist aber sehr schwierig, besonders wenn einfache Bedingungen gefragt sind. Das Verfahren, das die Forscher letztlich fanden, beinhaltet jedoch relativ sichere Ausgangsmaterialien wie zum Beispiel einen gängigen Glycolether als Lösungsmittel und leicht handhabbare Flüssigkeiten. Daher sollte ihr Verfahren insbesondere „für eine künftige Massenproduktion sehr attraktiv“ sein, stellen die Autoren heraus.

Das auf diese Weise hergestellte amorph-poröse Silizium erfüllte die elektrochemischen Vorgaben hervorragend. Es besitzt eine dreimal bessere Kapazität als Graphit und eine weit besserer Zyklenstabilität als kristallines Silizium, was die Wissenschaftler durch die gezielt hergestellten großen Poren und eine luftoxidierte Oberfläche erklären können. Und weiteres Potenzial sei vorhanden: Etwas Kohlenstoff zusätzlich in die Struktur hinein, und die elektrochemische Leistungsfähigkeit werde wahrscheinlich noch besser werden, sagt Yang.

Angewandte Chemie: Presseinfo 32/2016

Autor: Jian Yang, Shandong University (China), mailto:yangjian@sdu.edu.cn

Link zum Originalbeitrag: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201608146

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