Leistungsfähige Anoden aus Silizium

Jan Oliver Löfken

Eine Hand hält einen Akku über einem geöffneten Mobiltelefon

Dmitri Maruta/iStock

Sie kommen als Autobatterien oder Akkus in Smartphones zum Einsatz und werden stetig verbessert: Lithium-Ionen-Batterien. Ein vielversprechender Ansatz für deren Weiterentwicklung ist es, Silizium anstelle von Graphit in der Anode einzusetzen. Da sich Siliziumanoden beim Aufladen jedoch stark ausdehnen, leidet die Stabilität der Batterien. Eine Lösung für dieses Problem fanden Wissenschaftler nun in filigranen Nanostrukturen. Sie fertigten winzige Nanobögen in der Anode, die verblüffend stabil waren. Wie ihnen das gelang, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Communications Materials“.

Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie bewegen sich Lithiumionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort ein. Besteht die Anode aus Graphit, werden sechs Kohlenstoffatome benötigt, um ein Lithiumion aufnehmen zu können. Im Unterschied dazu kann ein einziges Siliziumatom sogar vier Lithiumionen binden. Theoretisch lässt sich so mit Siliziumanoden bis zu zehn Mal mehr Strom bei gleichem Volumen speichern als mit herkömmlichen Graphitanoden. Doch beim Aufladen dehnen sich die Siliziumanoden etwa auf das Vierfache aus und schrumpfen wieder beim Entladen, was die Stabilität einer Batterie drastisch senkt.

Grafik eines Experiments: Gelbe Teilchen werden durch zwei Kammern in einem längeren Kolben geführt und landen schließlich in einem kugelförmigen Raum, wo sie sich an einer runden Scheibe ansammeln, die von einem blauen Strahl von außen beschienen wird

Herstellungsschema der Anoden

Um trotzdem Silizium für die Anode nutzen zu können, fertigten Marta Haro und ihre Kollegen vom Institut für Wissenschaft und Technologie in Okinawa filigrane und zugleich stabile Nanostrukturen. Aus einem heißen Dampf ließen sie zuerst Nanopartikel aus dem Metall Tantal auf einer Oberfläche eine dünne Schicht bilden. Auf diesen winzigen Partikeln deponierten sie im Folgeschritt Siliziumatome. Diese lagerten sich allerdings nicht gleichmäßig in einer Fläche an, sondern bildeten winzige Nanosäulen. Diese wurden am oberen Ende immer breiter, bis sie sich schließlich berührten: Es bildeten sich Bögen, die eine verblüffende Stabilität aufwiesen.

Mit dieser ausgeklügelten Nanoarchitektur bauten die Forscher erste Lithium-Ionen-Zellen. Diese konnten tatsächlich mehr Strom speichern als Lithium-Ionen-Batterien mit Graphit-Anoden. Zugleich waren sie beim Auf- und Entladen über Dutzende Ladezyklen deutlich stabiler. Reif für eine industrielle Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien ist dieses Verfahren allerdings noch nicht – jedoch: Es weist einen Weg hin zu stabilen, leistungsfähigen Anoden aus Silizium.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2021/leistungsfaehige-anoden-aus-silizium/