Silizium-Boost für Lithium-Ionen-Akkus

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Elektroautos werden um Lithium-Ionen-Akkus herum gebaut. Und die sind zu teuer, zu groß und halten den Wagen nicht lange genug am Rollen. Dabei könnten verblüffend kleine Änderungen der Elektromobilität sogar hierzulande zum Durchbruch verhelfen.

Ohne Strom geht nichts. Und der kommt zumindest in mobilen Gerätschaften meist aus Lithium-Ionen-Akkus. Leider nur kurz, das kennt man. Diese elektrische Energiequelle ist nämlich schon durch das Material seiner negativen Elektrode (beim Entladen auch als Anode bezeichnet) begrenzt.

Bewährt hat sich dafür trotzdem bis heute Graphit, eine der natürlichen Erscheinungsformen des chemischen Elements Kohlenstoff. Er nimmt Lithium-Ionen auf, die beim Laden des Akkus die Elektronen binden. Allerdings kommt auf sechs Kohlenstoff-Atome maximal ein Lithium-Ion. Daraus ergibt sich rechnerisch eine maximale Speicherkapazität von 370 mAh (Milliamperestunden) pro Gramm Kohlenstoff.

Andere Anodenmaterialien versprechen hier deutlich mehr. So weist etwa Silizium eine rund zehnmal höhere Lithium-Ionen-Speicherfähigkeit auf. Dazu ist es nahezu unbegrenzt verfügbar, ungiftig und außerordentlich kostengünstig. Leider bläht es sich beim Einlagern der Lithium-Ionen (Laden) bis um das Dreifache auf, um beim Entladen im gleichen Maße wieder zu schrumpfen. Die dabei auftretenden mechanischen Spannungen zerstören den Akku nach wenigen Ladezyklen. Das zu verhindern war und ist prinzipiell Gegenstand der weltweiten Forschungen auf diesem Gebiet.

Röhren statt Kristalle

ampriusSchon 2008 hatte man an der Stanford University Elektroden aus Silizium-Nanoröhren entwickelt, die mechanische Belastungen beim Be- und Entladen erheblich besser überstehen als Siliziumkristalle. Mit den Patenten wurde Amprius Inc. gegründet, eines der führenden Unternehmen auf diesem Gebiet. Mittlerweile produziert man in China Akkus für Smartphones, die 10% besser als ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku sind. Eine 40prozentige Steigerung ist für nächstes Jahr angepeilt. Dieses Jahr stellte man erstmals ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren vor, mit dem Silizium-Nanodraht-Anoden auch für Elektrofahrzeuge produziert werden sollen.

Neben Start-ups wie Amprius machen natürlich auch die Großen der Branche wie Samsung oder Panasonic ihr eigenes Silizium-Anoden-Ding. Nicht zu vergessen: Panasonic baut mit Tesla in Nevada die „Gigafactory“ für Lithium-Ionen-Akkus.. Und von ein „bisschen“ Silizium in seinen Batterien hatte Elon Musk schon Ende letzten Jahres gesprochen. Man darf gespannt sein.

Lithium-Ionen-Akkus made in Germany?

In Deutschland beteiligt man sich natürlich auch an der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Akkus. Auch wenn die Zell-Produktion hier die nächsten zehn Jahre wahrscheinlich nicht wirtschaftlich zu gestalten ist, wie kürzlich der Daimler-Entwicklungsvorstand Thomas Weber in einem Interview mit der Autogazette verlauten ließ.

 Lithium-Ionen-Batterie
Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten (gelb) in die Schicht aus kristallinem Silizium (c-Si) ein. Im Lauf der Beladung bildet sich eine 20 Nanometer dünne Schicht (rot) in der Silizium-Elektrode, die extrem viele Lithium-Atome aufnimmt. (Bild: HZB).

Vor einer Woche hatte das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) gemeldet, erstmals Lithium-Ionen live im Silizium beobachtet zu haben. Danach bildet sich nahe an der Grenzfläche zum Elektrolyten eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt: Auf zehn Silizium-Atome kommen 25 Lithium-Atome. Schon in der nächsten Schicht beherbergt die gleiche Menge an Silizium-Atomen nur noch ein Lithium-Atom.

Eine extrem dünne Silizium-Schicht reicht also aus, um genügend Lithium aufzunehmen. Das verringert nicht nur wesentlich die Spannungskräfte auf die Kristallstruktur, sondern spart ebenso Material und vor allem Energie bei der Herstellung.

Die rechnerisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien läge bei etwa 2300 mAh pro Gramm, also sechsmal mehr als bei einem Lithium-Ionen-Akku mit einer Graphit-Elektrode (372 mAh/g).

Von solchen Werten kann die Praxis nur träumen. Denn die Kapazität wird natürlich nicht nur von einer Elektrode bestimmt. Die gesamte Zellchemie ist ausschlaggebend. Dazu wird ein komplexes System wie ein Akku auf mehrere – teilweise gegenläufige – Anforderungen hin optimiert. Bliebe aber aus der Versechsfachung am Ende nur eine Verdoppelung übrig, könnte das der Elektromobilität selbst in Deutschland zum Durchbruch verhelfen.

 

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Lithium-Ionen-Akku (Bild: pixabay).

Silizium im Akku verlängert die „Tankintervalle“. (Bild: pixabay).