Graphen-Käfige machen Elektroden stabiler

Neue Lithiumionen-Akkus sollen nicht nur mehr Strom speichern, sondern zugleich auch langlebig, stabil und sicher sein. Dieses Ziel im Blick entwickelten nun Wissenschaftler aus den USA eine neuartige Akku-Elektrode, die beiden Anforderungen im Laborversuch gerecht wurde. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichten, ließen sich winzige Körnchen aus Silizium komplett von mehreren, nur eine Atomlage dünnen Graphen-Schichten aus Kohlenstoff umhüllen. Das so entstandene Elektroden-Material – verwendet für den Minus-Pol (Anode) eines Testakkus – zeigte eine hohe Ladekapazität und blieb über mehrere hundert Zyklen stabil.

Heute verbauen die Akkuhersteller meistens Anoden aus robustem Graphit wie es auch in einer Bleistiftmine verwendet wird. Silizium allerdings könnte die Kapazität der Akkus theoretisch um das Zehnfache erhöhen. Doch die bisher entwickelten Silizium-Anoden hielten nicht lange genug, da sie bei der Aufnahme von Lithiumionen bis auf das dreifache Volumen anschwellen können. Dieses Ausdehnen der kleinen Siliziumpartikel brachten nun Yi Cui und seine Kollegen von der Stanford University mit einer nur zehn Nanometer dünnen Hülle aus Graphen unter Kontrolle.

Für ihren Prototyp umhüllten die Wissenschaftler winzige Siliziumpartikel zuerst mit einer dünnen Nickelschicht. Auf dieser Hülle konnten sie bei 450 Grad Celsius mehrere Graphenschichten deponieren. Danach lösten sie die Nickelschicht mit einer Säure auf. Zurück blieben die Siliziumpartikel, jeweils locker umhüllt von den Graphenschichten. Beim Aufladen dehnte sich das Silizium wie erwartet aus und es kam sogar zu einzelnen Brüchen. Doch eingefangen im Graphen-Mantel blieb die gesamte Anode stabil. Dank der hohen elektrischen Leitfähigkeit des Graphens verringerten sich die stromspeichernden Eigenschaften der Anode nur wenig.

Eingebaut in einen Lithiumionen-Akku hielt diese Graphen-Silizium-Anode mehr als 300 Ladezyklen stand. Die hohe Kapazität von etwa 3300 Milliamperestunden pro Gramm reduzierte sich dabei auf 85 Prozent, ein guter Wert für ein neues Akku-Konzept. Bis zur Serienreife sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden. So muss die Stabilität für mindestens 2000 Ladezyklen belegt werden. Parallel gilt es, die Umhüllung von Siliziumpartikeln in einen großtechnischen Produktionsprozess zu überführen. Erst dann könnten Graphen-Silizium-Anoden bei der Herstellung von Lithiumionen-Akkus mit einem Vielfachen der heute erreichten Ladekapazität eingesetzt werden.