HZB: Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich um das Sechsfache steigern

Nach Ansicht der Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) könnte sich die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus um das Sechsfache erhöhen, wenn die Anode aus Silizium und nicht aus Graphit besteht. Ein HZB-Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien habe erstmals detailliert beobachten können, wie Lithium-Ionen Silizium einwandern, hieß es in einer Mitteilung von Dienstag. Demnach würden schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um die theoretisch möglichen Kapazitäten des Akkus zu realisieren. Französische Forscher vom Institut Laue-Langevin in Grenoble hatten zuvor mit Neutronenmessungen gezeigt, dass beim Aufladen die Lithium-Ionen nicht tief in das Silizium eindringen, sondern sich in der unmittelbaren Grenzschicht einlagern, wie es weiter hieß. So entstehe eine 20 Nanometer dünne Schicht, die extrem viel Lithium enthalte. Diese reiche aus, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen.

Die HZB-Forscher hatten nach eigenen Angaben erstmals eine Halbzelle aus Lithium und Silizium beim Be- und Entladen direkt beobachten können. Dabei fanden sie zwei unterschiedliche Zonen. Nahe der Grenzfläche zum Elektrolyten habe sich eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt gebildet – auf zehn Silizium-kamen 25 Lithium-Atome. Daran angeschlossen habe es eine zweite lithiumärmere Schicht gegeben mit nur einem Lithium- auf zehn Silizium-Atome. Beide Schichten zusammen seien nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 Nanometer dick, so die Wissenschaftler. Nach dem Entladen bleibe in der Silizium-Grenzschicht zum Elektrolyten etwa ein Lithium-Ion pro Silizium-Platz in der Elektrode zurück. Damit sei theoretisch eine maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien von etwa 2300 Milliamperestunden pro Gramm möglich. Dies sei mehr als das Sechsfache der Kapazität bei Lithium-Ionen-Akkus mit Graphit. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Arbeit in der Zeitschrift ACSnano der American Chemical Socity.

Bei Photovoltaik-Heimspeichern sind Lithium-Ionen-Batterien klar auf dem Vormarsch und haben der Bleikonkurrenz bereits erhebliche Marktanteile abgenommen. Zudem werden Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von Laptops und Smartphones genutzt. Elektroautos kämen hingegen mit den gängigen Lithium-Ionen-Akkus noch nicht sehr weit, heißt es bei HZB. Dies liege an den verwendeten Elektroden aus Graphitschichten, die nur eine begrenzte Anzahl von Lithium-Ionen einlagern könnten. Dadurch lasse sich die Kapazität der aktuellen Lithium-Ionen-Akkus kaum weiter steigern. Halbleitermaterialien wie Silizium als Alternative zum Graphit seien aber bereits im Gespräch. Allerdings zerstört den Wissenschaftlern zufolge das Einwandern der Lithium-Ionen die Kristallstruktur des Siliziums, was das Volumen auf das Dreifache anschwellen lasse und in der Folge zu großen mechanischen Spannungen führe. (Sandra Enkhardt)