Künstlerisch illustriert, sitzen umhüllte Silizium-Nanopartikel in der Batterie wie Granatapfelkerne in der Frucht.

Bessere Batterien durch neuartige Innenstruktur

Im Obstkorb abgeschaut haben sich Forscher den Aufbau neuartiger Elektroden für Batterien: konstruiert nach dem Innenleben eines Granatapfels. Eine ähnliche Anordnung von umhüllten Nanopartikeln macht es jetzt erstmals möglich, Silizium als Rohstoff für Batterieelektroden einzusetzen. Lithium-Ionen-Akkus etwa können mit Siliziumanoden zehnmal mehr Energie speichern als mit den heute gebräuchlichen Graphitanoden, berichten Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Nanotechnology“. Sowohl in Elektroautos als auch in Smartphones und Tablets wäre diese neue Akku-Generation nutzbar.

„Experimente haben gezeigt, dass unsere von Granatäpfeln inspirierte Anode selbst nach tausend Ladezyklen noch bei 97 Prozent Kapazität arbeitet“, erklärt Yi Cui vom Stanford Institute for Materials and Energy Sciences. Diese Langlebigkeit macht die Anode auch kommerziell interessant. An der Anode, der negativen Elektrode einer Batterie, wird beim Ladevorgang die Energie gespeichert. Silizium kann dabei deutlich mehr aufnehmen als Graphit, allerdings dehnt sich das Material beim Aufladen bis auf das Dreifache aus, zieht sich später wieder zusammen und wird schnell brüchig. Dadurch sinkt die Batteriekapazität. Das lässt sich vermeiden, indem man Nanopartikel verwendet, allerdings ist deren Volumen für eine leistungsfähige Elektrode zu gering. Zudem reagiert Silizium mit dem Elektrolyt, der leitfähigen Flüssigkeit der Batterie – die dabei entstehende Schmiere umhüllt die Anode und senkt ihre Leistungsfähigkeit noch weiter.

Links oben eine Kugel, die aus vielen kleinen, dicht aneinander gepackten Kügelchen besteht. In jedem Kügelchen sitzt ein noch kleineres Nanoteilchen aus Silizium, welches das Kügelchen nicht komplett ausfüllt. Rechts der Zustand nach dem Aufladen: Die Silizumpartikel haben sich ausgedehnt und füllen die Kügelchen vollständig aus. Der große Kugel aus den vielen, mit Silizium gefüllten Kügelchen ist dennoch gleich groß geblieben. Links und rechts unten jeweils ein zweidimensionaler, flacher Schnitt durch die Kugel, der den gleichen Prozess mit Kreisen darstellt.
Nanocluster mit Silizium

„Wir präsentieren eine hierarchisch aufgebaute Siliziumanode, die alle drei Probleme löst“, schreiben die Forscher, „orientiert an der Struktur eines Granatapfels.“ In der Frucht sind die Kerne einzeln von Fruchtfleisch umhüllt und sitzen dicht aneinander in der Hüllschale. Analog dazu hatten Cui und seine Kollegen ihre Siliziumnanopartikel bereits einzeln in leitfähige Kohlenstoffmäntel gepackt – dort ist genügend Platz zum Dehnen und Schrumpfen, und die Teilchen sind so winzig, dass sie nicht weiter zerfallen. Jetzt gingen die Forscher noch einen Schritt weiter und fassten größere Gruppen ihrer „Kerne“ zusammen. Per Mikroemulsionstechnik aus der Farbenindustrie bildeten sie Cluster und umhüllten diese dann mit einer dickeren Kohlenstoffschicht. Sie hält nicht nur die Partikel zusammen und das Elektrolyt besser vom Silizium fern, sondern bildet auch eine stabile Basis für den Stromfluss.

Für das Auge sind diese einzelnen Cluster nicht erkennbar, zu sehen ist nur ein feines schwarzes Pulver, berichten die Wissenschaftler. In üblicher Dicke auf eine Folie aufgebracht, entsteht damit die passende Anode für Lithium-Ionen-Akkus. In Tests erwiesen sich die Prototypen als leistungsfähig und langlebig. Auch für moderne Varianten wie Lithium-Schwefel- und sogenannte Lithium-Luft-Akkus soll sich die Anode eignen. Bis zur Marktreife müssen die Wissenschaftler den Produktionsprozess allerdings deutlich vereinfachen und den Materialpreis senken. Cuis Team hat schon eine Idee für eine preiswerte Quelle: Die Hüllschalen von Reiskörnern, die weltweit nach der Reisernte in enormen Mengen anfallen, enthalten hochwertiges Siliziumdioxid. Damit könnten sie sich als Rohmaterial für Elektroden eignen.