Neues granatapfelähnliches Material steigert die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

In einem interessanten Fall der Biomimikry haben Wissenschaftler der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory ein neues Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, bei dem sie Silizium-Nanopartikel verwenden, die wie Samen in einer harten Kohlenstoffschale gruppiert sind – ähnlich wie bei einem Granatapfel.

Die negative Elektrode (Anode genannt) ist bei Lithium-Ionen-Batterien besonders wichtig, da sie beim Laden der Batterie Ladung speichert. Die Ladungsmenge, die pro Gramm Material gespeichert werden kann, variiert stark je nach Anodenmaterial. Typische Lithium-Ionen-Batterien verwenden Graphitanoden; Wissenschaftler haben jedoch versucht, Graphit durch Silizium zu ersetzen, da es eine der besten verfügbaren Energiedichten aufweist – mehr als zehnmal höher als Graphit.

Da Anoden jedoch während typischer Lade-Entlade-Zyklen anschwellen und schrumpfen, kann ein sprödes Material wie Silizium bei der Verwendung nicht nur sehr schnell auseinanderbrechen, sondern auch mit dem Elektrolyten der Batterie reagieren und eine klebrige Schicht auf der Anode bilden, die diese weiter beeinträchtigt Leistung.

Stanford Associate Professor Yi Cui und sein Team haben daran gearbeitet, dieses Problem zu lösen, indem sie extrem feine/kleine Silizium-Nanodrähte oder Nanopartikel verwendeten und sie in Kohlenstoffhüllen einschlossen, die ihnen Raum zum Quellen oder Schrumpfen während des Lade-Entlade-Zyklus geben . In ihrer neuesten Arbeit haben sie die gefüllten Schalen mit einer zweiten, dickeren Schicht aus Kohlenstoff überzogen. Diese wirkt wie die Schale eines Granatapfels und hält die einzelnen Schalen zusammen und ermöglicht einen leichten Strömungsfluss.

Bildnachweis: Nian Liu et al. über Nature Nanotechnology

Die Cluster, die zu klein sind, um sie mit bloßem Auge zu erkennen (elektronenmikroskopische Bilder siehe unten), bilden ein feines schwarzes Pulver, das dann auf ein Stück Folie aufgetragen wird, um die Anode zu bilden. Durch sorgfältige Anpassung der Clustergröße kann die Ladungsdichte optimiert und gleichzeitig der Massenverbrauch minimiert werden.

Bildnachweis: Nian Liu et al. über Nature Nanotechnology

Jeder, der einen alten Laptop-Akku besitzt, weiß, dass die Ladekapazität eines Akkus mit der Nutzung abnimmt. Beispielsweise verlieren handelsübliche Li-Ionen-Akkus bei typischer Nutzung nach 1000 solcher Zyklen etwa 20 % ihrer Kapazität. Im Vergleich dazu weist der neue Akku nach 1000 Lade-Entlade-Zyklen nur einen Kapazitätsverlust von 3 % auf.

Neben einer verbesserten Batterielebensdauer verspricht die neue Technologie aus zwei Gründen auch geringere Kosten: (a) Das Mikroemulsionsverfahren zur Erzeugung der Kohlenstoffbeschichtung auf den Siliziumpartikeln ist ein kommerzielles Verfahren, das typischerweise in der Öl- und Farbenindustrie eingesetzt wird, und (b) Obwohl Rohgraphit und Rohsilizium heute ungefähr gleich viel kosten (ca. 1.400 $/Tonne), ist Silizium ein häufiger verfügbares Material und bietet auf lange Sicht niedrigere Materialkosten.

Cui hat sich bereits die Kostensenkung zum Ziel gesetzt und strebt eine weitere Vereinfachung des Produktionsprozesses an. Darüber hinaus möchte sein Team nach kostengünstigeren Möglichkeiten zur Herstellung von Silizium-Nanopartikeln suchen. Ein besonderer Ansatz, über den die Forscher bereits in anderen Publikationen berichteten, ist die Umwandlung von Reisschalen in Silizium-Nanopartikel (Reisschalen sind landwirtschaftliche Abfälle, die in großen Mengen anfallen und zu 20 % aus Siliziumdioxid bestehen).

„Obwohl noch einige Herausforderungen bestehen, bringt uns dieses Design der Verwendung von Siliziumanoden in kleineren, leichteren und leistungsstärkeren Batterien näher“, sagt Cui. „Für mich ist es sehr spannend zu sehen, wie viel Fortschritt wir in den letzten sieben oder acht Jahren gemacht haben und wie wir die Probleme Stück für Stück gelöst haben“, fügt er hinzu und teilt seine Hoffnung – ein Gefühl, das die Erneuerbare-Energien-Branche nicht hat Zweifel, hat mit ihm gemeinsam.

Bildquelle oben: Greg Stewart / SLAC