Speicherkapazität kann mit löchrigem Silizium-Werkstoff für die Anode der wiederaufladbaren Batterie deutlich gesteigert werden

Ansan (Korea) - Mit günstigen Elektro- und Hybridautos könnte die derzeit stark gebeutelte Autoindustrie viele neue Käufer gewinnen. Motoren und Getriebe sind so weit ausgereift, um selbst rasant-sportliche Fahrer zu begeistern. Einzig die Stromspeicher aus Lithiumionen-Akkus hinken wegen geringer Ladekapazitäten hinterher. Koreanische Materialforscher wollen dieses Problem nun mit dreidimensionalen, porösen Anoden aus Silizium lösen. In der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" präsentieren sie erste Prototypen, die zu einer neuen Akku-Generation führen könnte.

Das Team um Jaephil Cho von der Hanyang University in Ansan ersetzte das bisher weit verbreitete Graphit durch ihren neuen Anodenwerkstoff. Das poröse Silizium, das beim Aufladen viel mehr Lithiumionen aufnehmen konnte, stellten sie bei 900 Grad Celsius in einer Atmosphäre aus dem Edelgas Argon her. Winzige Nanoteilchen aus Siliziumdioxid brachten sie mit reinen Siliziumpartikeln zum Glühen. Es entstand eine Masse, aus denen sie die nicht verwendbaren, oxidierten Siliziumteilchen herausätzten. Zurück blieb eine poröse dreidimensionale Struktur winziger Silizium-Kristalle, die mir einer hauchdünnen Kohlenstoff-Schicht bedeckt waren.

Mit diesem Material verhinderten sie, dass sich die Silizium-Anode beim Aufladen stark ausdehnte und beim Entladen wieder in sich zusammenfiel. Dieser Effekt reduzierte bisher die Lebensdauer dieses viel versprechenden Materials. In ersten Versuchen mit ihrem Prototyp wurde die Speicherkapazität auch nach 100 Ladezyklen nicht wesentlich verringert. Mit weiteren Experimenten könnte nun eine Akku-Anode entwickelt werden, die auch einige Tausend Ladezyklen unbeschadet übersteht. Damit wäre nicht nur der Weg zu effizienten und günstigen Elektroautos geebnet, auch Laptops könnten mit einer neuen Generation von Lithiumionen-Akkus zwölf Stunden und länger ohne Netzstrom auskommen.

"Silizium ist ein attraktives Anodenmaterial für Lithiumbatterien, weil es theoretisch die höchste bekannte Ladungskapazität aufweist", wissen auch Yi Cui und seine Kollegen vom Department of Materials Science and Engineering an der Stanford University. Sie setzen ebenso auf dieses Halbleitermaterial in Form von Nanodrähten, um die Speicherkapazität der Akkus zu steigern. Allerdings hielten ihre Siliziumanoden bislang nur zehn Ladezyklen durch, was für eine technische Anwendung viel zu wenig ist.

Um auch in Deutschland mit dieser Entwicklung neuer Akkus Schritt zu halten, startete vergangenes Jahr das Bundesforschungsministerium (BMBF) die Innovationsallianz "Lithium Ionen Batterie LIB 2015". Ein Industriekonsortium von BASF, Bosch, Evonik, LiTec, und VW hat sich verpflichtet, in den nächsten Jahren 360 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung an der Lithiumionen-Batterie zu investieren. Gleichzeitig wird das BMBF 60 Millionen Euro in den nächsten vier Jahren für diesen Bereich zur Verfügung stellen.