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15.11.2011 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Silizium-Graphit-Sandwich soll Kapazität und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verbessern

Autor:
Gernot Goppelt

US-Forscher haben eine Elektrode für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die ein erhebliches schnelleres und häufigeres Laden möglich machen soll. Die Grundlagenforschung für diese "Dream Battery" fand an der Northwestern University statt, wie die US-Hochschule mitteilte.

Die neue Batterietechnik käme allen Bereichen zugute, in denen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. So könnte sie unter anderem "den Weg für effizientere und kleinere Batterien in Elektroautos ebnen". Nach Angaben der Forscher bietet die Batterietechnik in der Praxis zwei Vorteile: Erstens erlaube sie ein um Faktor 10 schnelleres Laden. Zweitens vertrage sie zehn mal so viele Ladevorgänge wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. Und "selbst nach 150 Ladevorgängen, was mehr als einem Jahr Betrieb entspricht, ist die neue Batterie noch immer fünf mal effektiver als heutige Batterien", sagt Harold H. Kung, Hauptautor der Studie "In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries".

Bei Lithium-Ionen-Batterien wandern die Lithium-Ionen während ihrer Nutzung durch das Elektrolyt von der Anode zur Kathode - und beim Laden in umgekehrte Richtung. Bei der heutigen Technik gebe es dabei zwei Einschränkungen: Einerseits sei die Kapazität dadurch begrenzt, wie viele Lithium-Ionen in die Anode oder Kathode "gepackt" werden können. Zudem sei die Geschwindigkeit eingeschränkt, mit der die Lithium-Ionen ihren Weg zwischen Anode und Kathode zurücklegen. In heutigen Akkus bestehe die Anode aus Graphitlagen, die ein Lithium-Atom pro Kohlenstoff-Atom aufnehmen können. Forscher hätten bereits versucht, den Kohlenstoff durch Silizium zu ersetzen, wobei die Kapazität auf das Vierfache steige. Silizium würde aber während des Ladens "dramatisch" expandieren und kontrahieren, was letztlich einen rapiden Kapazitätsverlust zur Folge habe.

Das Team um Kung kombiniert nun beide Materialien. Es entwickelte eine Art Sandwich aus Graphitschichten und dazwischen eingefügten Silizium-"Clustern", wodurch das sonst labile Material stabilisiert werde. "Wir haben nun das Beste aus zwei Welten", sagt Kung. "Dank des Siliziums haben wir eine viel höhere Energiedichte, und das Sandwich-Verfahren verringert den Kapazitätsverlust, der durch das Expandieren und Kontrahieren des Siliziums entsteht. Selbst wenn die Cluster aufbrechen, geht das Silizium nicht verloren". Mit einem speziellen Verfahren bringen die Forscher zudem kleine Löcher (10 bis 20 Nanometer) in die Graphitlagen ein, die eine "Abkürzung" schaffen, durch welche die Lithium-Ionen das Silizium erreichen können. Anders als bei rein kohlenstoffbasierten Anoden werde dadurch der Ladevorgang um den Faktor 10 verkürzt.

Die Forschung bezog sich bisher nur auf die Anode. Nun wollen sich die Entwickler auch der Kathode widmen, um weitere Verbesserungen zu erreichen. Zudem wollen sie ein Elektrolyt-System entwickeln, das ein temporäres automatisches "Ausschalten" der Batterie bei zu hohen Temperaturen erlaubt, ein Sicherheitsvorteil, der vor allem bei Elektroautos interessant wäre. Die verbesserte Kathode könnte nach Ansicht der Forscher bereits in drei bis fünf Jahren marktreif sein.

(Bild: Merck/Jochen Stuhrmann)

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