Symbolbild: Lithium-Ionen-Akku

© REUTERS / REGIS DUVIGNAU

Science
05/14/2020

Neues Elektrolyt-Design verbessert Akkus

Forscher haben einen effizienten Weg gefunden, Silizium für Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden.

Silizium wird als vielversprechender Werkstoff für Anoden in Lithium-Ionen-Batterien angesehen: Ob in Elektroautos oder unseren Geräten für den alltäglichen Gebrauch. Dessen Kurzlebigkeit hat den Einsatz bisher jedoch behindert. Nun haben US-Forscher den Weg zu Hochenergiebatterien aus Silizium-Anoden geebnet. Mithilfe eines neuen Elektrolyt-Designs.

Während die Energiedichte einer Batterie von Elektroden bestimmt wird, sind für ihre Leistung Elektrolyte verantwortlich. Lithium-Ionen-Batterien verfügen über Graphit als Anode. Graphit weist allerdings eine vergleichsweise geringe Kapazität von gerade einmal 350 mAh pro Gramm auf. 

Eine Silizium-Anode hingegen hat trotz ihrer Kurzlebigkeit eine um 8 Mal höhere Kapazität. Zusätzlich ist die Umweltbelastung geringer, wie Phys.org berichtet. Allerdings dehnt sich beim Laden der Batterie das Silizium aus und schrumpft dann wieder. Und das führt zu Schäden.

Schutzschicht

Doch nun scheint es einen effizienten Weg zu geben, um von Graphit auf Silizium umzusteigen. Ein Forscherteam der University of Maryland und des Army Research Laboratory hat einen Elektrolyten mit einer Silizium-Schutzschicht entwickelt. Und die kann einer Schwellung in Silizium-Anodenpartikeln widerstehen. Der Elektrolyt sorgt sozusagen für Platz, den die Anodenpartikel benötigen, wenn das Silizium in der Schutzschicht anschwillt.

Den Forschern ist es damit gelungen, unter anderem Silizium als Anode für Lithium-Ionen-Batterien zu zyklisieren. Kurzum: Der Elektrolyt begünstigt eine lange Zykluslebensdauer für Silizium-Anoden mit hoher Kapazität, was künftig Hochenergiebatterien möglich macht. Die Studie wurde unlängst in der Fachzeitschrift Nature Energy publiziert.

Marktreife offen

Die Forscher haben eine Polymerschicht entwickelt, die als Festkörperelektrolyt-Grenzfläche oder SEI bekannt ist. Die ist stabil und soll sich mit dem Silizium verbinden. Durch diese starke Bindung wird das SEI gezwungen, sich der Volumenänderung der Anodenpartikel anzupassen. Sowohl die Anoden als auch das SEI reißen dann aber bei Batteriebetrieb.

"Wir haben die Beschädigung des SEI erfolgreich vermieden, indem wir einen keramischen SEI gebildet haben, der eine geringe Affinität zu den lithiierten Siliziumpartikeln hat, so dass sich das lithiierte Silizium bei Volumenänderungen an der Grenzfläche verschieben kann, ohne den SEI zu beschädigen“, sagt Chunsheng Wang, Professor für chemische und biomolekulare Technik an der University of Maryland.

Wann der Elektrolyt marktreif sein wird, bleibt offen.