Lithium-Ionen-Technologie: Noch lange nicht am Ende

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Das wahre Potenzial von Lithium-Ionen-Akkus wartet auf seine Freisetzung. Eine Steigerung der Batteriekapazitäten um das Doppelte scheint durchaus realistisch. Dafür soll ein spezielles Messverfahren nun den Durchbruch bringen.

Der Lithium-Ionen-Akku ist ohne Zweifel eine Erfolgsgeschichte. Vom Smartphone über Selbstoptimierungsantreiber bis hin zum Elektroauto – er hält alles Mobilelektronische am Laufen. Aber leider nicht immer lange genug. Deswegen versuchen Forscher weltweit mit völlig neuen Batteriekonzepten, aber auch mit Änderungen an der Lithium-Ionen-Architektur, höhere Kapazitäten „herauszukitzeln“.

Die naheliegendste Methode: Negative Elektroden (Anode) speichern beim Laden mehr Lithium-Ionen. Schließlich bestimmt ihre Anzahl wie lange eine Batterie Strom liefert. In aktuellen Lithium-Ionen-Akkus besteht diese Anode aus Graphit.

Dort bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion Platz finden. Das ist allerdings nicht die effizienteste Art. Kleine Silizium-Kristalle könnten pro Atom ein Lithium-Ion speichern – eine theoretische Erhöhung der Speicherkapazität auf das Sechsfache.

Silizium „zerbröselt“

Leider dehnen sich im Gegensatz zum Graphit die Silizium-Körnchen bei der Lithiumaufnahme bis auf das Vierfache aus und können so einfach zerbröseln. Als praktikable Maßnahmen dagegen haben sich zum Beispiel ein unvollständiges Laden des Siliziums oder Architekturen aus stabilisierenden Nano-Strukturen erwiesen. Nicht gelöst wird damit allerdings ein Problem, das durch den Kontakt der Materialien mit dem flüssigen Elektrolyten auftritt.

Lithium-Ionen-Technologie
Die fest/flüssige Grenzfläche auf Graphit-Elektroden ist beim Entladen/Laden wegen der geringen Volumenausdehnung stabil. Auf Silizium zerbröselt diese nur wenige Nanometer dicke Schicht aufgrund der hohen Volumenänderung und geringen Flexibilität. (Bild: TU Wien).

 

Komplexe chemische Abbaureaktionen beim Lade- und Entladevorgang führen nämlich dazu, dass sich an der Oberfläche der Elektroden ein nanometerdünner, ionenleitfähiger Film bildet. Auf Graphit ist diese Schicht – ähnlich einer Passivschicht auf Edelstahl – nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter. Dagegen lässt die drastische Ausdehnung des Siliziums diese Grenzschicht immer wieder reißen. Die Folge: Es bildet sich an den Rissen eine neue Schicht. Jeder Ladezyklus verbraucht also etwas Elektrolytflüssigkeit, was letztlich zu einer kurzen Lebensdauer des Akkus führt.

Lithium-Ionen-Technologie mit besseren Elektrolyten

Gesucht sind deshalb Elektrolyte, die elastische Grenzschichten ermöglichen. Ein typisches Aufgabengebiet der Materialkunde. An der TU Wien hat man nun genau dafür ein spezielles Rasterkraftmikroskop entwickelt. Es analysiert die elastischen Eigenschaften dieser Schicht beim Auf- und Entladen, indem es Wachstum und Elastizität auf einer winzigen Größenskala bei gleichzeitiger Krafteinwirkung misst. So können unterschiedliche Material-Varianten untersucht und passende Elektrolyte für siliziumbasierte Lithium-Ionen-Akkus gefunden werden.

Es zeigt sich also, dass die „alten“ Batterien ihr Potenzial noch längst nicht ausgeschöpft haben. Steigerungen der Kapazitäten um das Doppelte halten die Forscher an der TU Wien für durchaus realistisch. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass mit siliziumbasierten Akkus um 15-50% höhere Speicherdichten zu erreichen sind. Erste Markeinführungen dieser Technologie werden in den nächsten 3-5 Jahren erwartet.

Knowledge Base

Originalpublikation
Moeremans et al., In Situ Mechanical Analysis of the Nanoscopic Solid Electrolyte Interphase on Anodes of Li‐Ion Batteries, Advanced Science 6, 1900190 (2019).

 

 

 

 

 

Lithium-Ionen-Batterie (Bild: pixabay/olafpictures).

Eine neue Messmethode soll der Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus zu ungeahnten Höhen verhelfen. (Bild: pixabay/olafpictures).