Neuer Nutzen für leere Flaschen: Aus zermahlenem und weiterverarbeitetem Altglas haben Forscher ein Nanomaterial zum Bau von Batterie-Elektroden hergestellt. Knopfzellen mit diesen Nanosilizium-Anoden können bis zu vier Mal so viel Energie speichern wie konventionelle Batterien mit Graphit-Anoden. Der größte Vorteil sind aber die geringen Material- und Herstellungskosten der neuen Altglas-Batterie.
Die Forschung erzielt immer neue Fortschritte beim Design kleinerer und leistungsstärkerer Batterien. So wurden zum Beispiel umweltfreundliche Akkus aus Katzengold vorgestellt oder neue Wege zur Optimierung der Ladekapazität getestet.
Als besonders vielversprechend gilt der Einsatz von nanoskaligem Silizium. Dieses eignet sich besonders gut als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus, weil so leistungsstarke Batterien mit hoher Ladungskapazität realisierbar sind. Üblicherweise wird das Silizium mit aufwändigen und damit kostspieligen Prozessen aus Rohstoffen wie Gestein oder Pflanzen gewonnen.
Wissenschaftler um Changling Li von der University of California in Riverside haben nun eine alternative Rohstoffquelle ausgetestet, mit der sich die zukunftsträchtigen Silizium-Elektroden viel günstiger produzieren ließen.
Altglas als Rohstoff
Die Forscher nutzten für ihre Herstellungsmethode alte Glasflaschen, die sie zu Nano-Pulver zermahlten. Da Glas nichts weiter ist als Siliziumdioxid fallen dabei teure Aufreinigungsschritte weg. Das fein gemahlene Glaspulver kann somit theoretisch direkt in der bereits etablierten industriellen Batterieproduktion eingesetzt werden.
Diese ahmten die Forscher im Labor nach, indem sie das Siliziumdioxid unter Hitze und Zugabe von Magnesium zu Silizium reduzierten. Das Magnesium ätzten sie hinterher aus dem Silizium wieder heraus, sodass ein nanostrukturiertes Netzwerk aus reinem Silizium zurückblieb. Dieses überzogen die Wissenschaftler abschließend noch mit einer Schutzschicht aus Kohlenstoff – und fertig war das Elektrodenmaterial.
Leistungsstark und preiswert
Labortests ergaben, dass Knopfzellen mit den aus Altglas produzierten Nanosilizium-Anoden konventionelle Batterien an Leistung deutlich übertrafen. Wie die Forscher berichten, zeigten die Elektroden auch nach 400 Ladezyklen noch eine Kapazität von 1.420 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm. Die normalerweise eingesetzten Graphitelektroden schaffen nur rund 372 mAh, so Li und seine Kollegen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Graphitelektroden haben die Batterien mit dem Nanosilzium damit eine viermal größere Ladekapazität, wie die Forscher berichten. „Wir haben aus einem Abfallprodukt, das eigentlich schon auf dem Weg zur Müllkippe war, Batterien hergestellt, die mehr Energie speichern, schneller Laden und stabiler sind als kommerzielle Knopfzellen“, erklärt Li die Vorteile der neuen Technik.
Für die innovative Herstellungsmethode spricht nach Ansicht der Forscher aber besonders der Preisvorteil durch das kostengünstige Recycling des Siliziums aus leeren Glasflaschen. Immerhin reiche eine Glasflasche aus, um Material für hunderte von Nanosilizium-Elektroden zu produzieren. „Wir haben hier einen äußerst vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Akkus“, konstatiert Li. (Scientific Reports, 2017; doi: 10.1038/s41598-017-01086-8 )
(University of California – Riverside, 21.04.2017 – CLU)
