Lithium-Borsilicid-Gerüststruktur
T. Fässler/TUM
Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben aus Bor und Silicium eine völlig neue Gerüststruktur aufgebaut, die sich als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus eignen könnte. Das Material könne den Weg zu Systemen mit höherer Speicherkapazität weisen, heißt es aus München.
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", erklärt Thomas Fässler, Professor am Lehrstuhl für Anorganische Chemie der TUM. "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 US-amerikanischen 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 °C habe sich das gewünschte Lithium-Borsilicid gebildet. "Es ist eine Menge Fingerspitzengefühl und viel Erfahrung notwendig, um das richtige Verhältnis der Grundmaterialen und die richtigen Parameter herauszufinden", betont Thomas Fässler.
Lithium-Borsilicid ist gegenüber Luft und Feuchtigkeit stabil und widersteht auch Temperaturen bis zu 800 °C. 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.
Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in folgenden 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; und in Michael Zeilinger, Daryn Benson, Ulrich Häussermann, Thomas F. Fässler: Single crystal growth and thermodynamic stability of Li17Si4, Chemistry of Materials 2013, 25, 1960-1967.