Batterien mit Siliziumanoden: Oberflächenstrukturen reduzieren die Kapazität

„Mit den Neutronenexperimenten und weiteren Messungen konnten wir beobachten, wie sich beim Aufladen an der Siliziumoberfläche eine blockierende Schicht bildet, die das Eindringen von Lithium-Ionen behindert“, erläutert der HZB-Physiker Dr. Sebastian Risse.

Diese Schicht besteht aus organischen Molekülen aus der Elektrolyt-Flüssigkeit und anorganischen Bestandteilen. Beim Aufladen löst sich diese 30-60 Nanometer dünne Schicht teilweise wieder auf, sodass die Lithium-Ionen in die Silizium-Anode eindringen können.

Für das Auflösen der Schicht wird jedoch Energie benötigt, die dann nicht mehr zur Speicherung zur Verfügung steht. Die Physiker verwendeten die gleiche Elektrolyt-Flüssigkeit, die auch in kommerziellen Lithium-Batterien genutzt wird.

Nach Voruntersuchungen der Neutronenquelle BER II des HZB brachten die Experimente am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble den genauen Einblick in die Prozesse.

„Am Reaktor des ILL stehen kalte Neutronen mit einem sehr hohen Fluss zur Verfügung, mit denen wir die Silizium-Anode während mehrerer Ladezyklen zerstörungsfrei beobachten konnten“, erklärt Risse.

Mit einer am HZB entwickelten Messzelle konnten die Physiker die Silizium-Anoden während der Lade-Entladezyklen (in operando) mit Neutronen untersuchen und dabei auch eine Reihe von anderen Messwerten wie den elektrischen Widerstand mit Impedanz-Spektroskopie erfassen.

Sobald diese Blockade-Schicht aufgelöst ist, steigt die Effizienz der Ladungs-Entladungszyklen auf 94 Prozent, (94 % der abgespeicherten Ladung kann wieder ausgeliefert werden). Dieser Wert ist höher als der von Bleibatterien (90 %), aber etwas niedriger als der von technisch sehr ausgereiften Lithium-Ionen-Batterien, die bis zu 99,9 % erreichen.

„Wir wollen nun untersuchen, ob sich durch Aufbringen einer sehr dünnen Schutzschicht aus Metalloxid die Bildung der Blockadeschicht verhindern lässt, sodass die Kapazität von Silizium-Anoden im Lauf von vielen Lade-Entladezyklen weniger stark sinkt“, sagt Risse.

Dr. Sebastian Risse
sebastian.risse@helmholtz-berlin.de

Die Studie wurde in der Zeitschrift „Energy Storage Materials“ (Impaktfaktor 13) veröffentlicht: „Surface structure inhibited lithiation of crystalline silicon probed with operando neutron reflectivity“. Arne Ronneburg, Marcus Trapp, Robert Cubitt, Luca Silvi, Sébastien Cap, Matthias Ballauff, Sebastian Risse.
doi: 10.1016/j.ensm.2018.11.032