Koreanische Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das vielleicht schon bald zu einer neuen, besseren Generation von Lithiumionen-Akkus führen könnte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten, spielen dabei dreidimensionale hochporöse Siliciumstrukturen eine entscheidende Rolle.
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Lithiumionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras und Notebooks, mit Strom. Ihre Kapazität und damit die Laufzeit des Geräts ist bisher allerdings noch recht begrenzt. So läuft ein Notebook meist nur zwei Stunden. Grund ist die verhältnismäßig geringe Aufnahmekapazität der enthaltenen
Graphit-Anode für Lithiumionen.
Lithiumionen-Akkumulatoren erzeugen Strom durch Verschieben von Lithiumionen. Der Akku enthält meist eine Kathode (positive Elektrode) aus einem gemischten Metalloxid wie Lithium-Cobalt-Oxid, und eine Anode (negative Elektrode) aus Graphit. Beim Aufladen wandern die Lithiumionen in die Anode, wo sie zwischen den Graphitschichten eingelagert werden. Beim Entladen wandern sie wieder zurück zur Kathode.
Alternative zu Graphit gesucht
Wünschenswert wäre ein Anodenmaterial, das mehr Lithiumionen speichern könnte als Graphit. Silicium wäre eine interessante Alternative. Das Problem: Silicium dehnt sich bei der Aufnahme der Lithiumionen (Aufladung) stark aus und schrumpft bei ihrer Abgabe (Entladung) wieder zusammen. Nach mehreren Zyklen sind die notwendigen dünnen Silicium-Schichten dann pulverisiert und lassen sich nicht mehr aufladen.
Das Team um Jaephil Cho von der Hanyang Universität in Korea entwickelte nun eine einfache Herstellungsmethode für ein poröses Silicium-Anodenmaterial, das diesen Belastungen standhalten kann. Sie glühen Siliciumdioxidnanopartikel mit Siliciumpartikeln, deren äußerste Siliciumatome kurze Kohlenwasserstoffketten tragen, bei 900 °C unter Argonatmosphäre.
Aus der entstandenen Masse werden die Siliciumdioxidpartikeln durch Ätzen herausgelöst. Übrig bleiben mit Kohlenstoff überzogene Siliciumkriställchen in Form einer durchgängigen dreidimensionalen hochporösen Struktur.
Hohe Ladungskapazität für Lithiumionen
Anoden aus diesem hochporösen Silicium zeigen nach Angaben der Wissenschaftler eine hohe Ladungskapazität für Lithiumionen. Die Lithiumionen werden zudem rasch transportiert und eingelagert, so dass schnelle Lade- und Entlade-Prozesse möglich sind. Eine hohe spezifische Kapazität wird auch bei hohen Strömen erreicht.
Die Volumenänderungen während der Lade-/Entladevorgänge verursachen nur ein geringes An- und Abschwellen der weniger als 70 Nanometer dünnen Porenwände. Außerdem bildet sich während des ersten Ladezyklus eine amorphe (nichtkristalline) Siliciummasse um verbleibende Nanokriställchen in den Porenwänden. Die mechanische Beanspruchung der Porenwände macht sich im Material daher nicht mehr bemerkbar, auch nach 100 Lade-/Entladezyklen nicht.
(idw – Gesellschaft Deutscher Chemiker, 24.11.2008 – DLO)
