Anoden aus porös-amorphem Silizium könnten die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus verbessern

Demnächst enthalten Lithium-Ionen-Akkumulatoren möglicherweise keine Anode aus Graphit mehr. Silizium als Anodenmaterial bietet eine viel höhere Ladungskapazität, aber seine Kristallinität war bislang von Nachteil, berichtet die Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

In der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ stellen chinesische Wissenschaftler eine poröse amorphe Silizium-Modifikation vor, die anderen Anodenmaterialen in wiederaufladbaren Batterien deutlich überlegen sein könnte.

Silizium bietet eine fast zehnmal höhere theoretische Ladungskapazität als Graphit
Die derzeit gängigste Anode in Li-Ion-Akkus besteht aus Kohlenstoff in seiner Graphitmodifikation. Allerdings hat Graphit eine relativ niedrige Ladungskapazität. Weitere Probleme von solchen Batterien sind eine geringe Zyklenanzahl, steigender interner Widerstand während der Ladezyklen, Alterung sowie Sicherheitsaspekte.
Eine Alternative zu Kohlenstoff wäre Silizium, das eine fast zehnmal höhere theoretische Ladungskapazität als Graphit bietet. Der Lade- und Entladevorgang ist jedoch ein Problem: Ausdehnen und Schrumpfen bei den Zyklen führt zu Pulverisierung und Kapazitätseinbruch. Jian Yang und seine Kollegen an der Shangdong-Universität in China haben jetzt eine amorphe poröse Silizium-Modifikation hergestellt, die diese Nachteile kompensiert.

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Verfahren könnte für eine künftige Massenproduktion sehr attraktiv sein
Den amorphen Zustand von Silizium zu nehmen, sei eigentlich die logische Konsequenz, weil das Silizium sowieso amorph ende, erläutern die Wissenschaftler: „Da das Silizium durch die elektrochemische Lithiierung/Delithiierung im Endeffekt amorph wird, ist es sehr attraktiv, es von vorneherein in diesem Zustand einzusetzen.“
Gezielt amorphes Silizium herzustellen ist aber sehr schwierig. Das Verfahren, das die Forscher fanden, beinhaltet relativ sichere Ausgangsmaterialien. Daher sollte ihr Verfahren insbesondere für eine künftige Massenproduktion sehr attraktiv sein, so die Autoren.

Amorph-poröses Silizium hat dreimal bessere Kapazität als Graphit
Das auf diese Weise hergestellte amorph-poröse Silizium erfülle die elektrochemischen Vorgaben hervorragend. Es besitze eine dreimal bessere Kapazität als Graphit und eine weit besserer Zyklenstabilität als kristallines Silizium. Und weiteres Potenzial sei vorhanden: Etwas Kohlenstoff zusätzlich in der Struktur, und die elektrochemische Leistungsfähigkeit werde wahrscheinlich noch besser werden, sagt Yang.

Zum Originalbeitrag: onlinelibrary.wiley.com/