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Lithiumionen-Batterien mit zehnmal höherer Kapazität

Handelsübliche Lithiumionen-Batterien mit Graphitanode erreichen eine spezifische Kapazität zwischen 90 und 250 Ah/kg. Damit kommen Elektrofahrzeuge nicht annähernd an die Reichweite eines Pkw mit Verbrennungsmotor heran. Silizium ist aufgrund seiner vorteilhaften chemischen Eigenschaften und seiner hohen Verfügbarkeit ein vielversprechendes alternatives Anodenmaterial.

Der Halbleiter nimmt zehnmal so viel Lithium auf wie Graphit. Die Herausforderung besteht darin, die geringe elektrische Leitfähigkeit, die Volumenänderungen während der Lade-/Entladezyklen und die niedrige Diffusionsrate auszugleichen, um praktische Anwendungen möglich zu machen.

Aktuelle Forschungen zeigen, dass Nanokomposite mit Silizium, eingebettet in Graphen-Aerogele (Ga), die Stabilität und die elektrischen Eigenschaften verbessern. Die Siliziumkristalle werden mit Undecansäure funktionalisiert und gleichmäßig in dem mesoporösen Festkörper verteilt. Chemiker der University of Alberta und des National Institute for Nanotechnology in Kanada versuchen das Material mithilfe von Nanotechnologie für den Einsatz in Batterien zu optimieren.

Die Forscher haben den Durchmesser der Siliziumkristalle zwischen 3, 5, 8 und 15 nm variiert und festgestellt, dass eine Abhängigkeit zwischen der Größe der Partikel und der elektrochemischen Performance besteht: Die größeren Varianten stellen eine höhere Anfangskapazität zur Verfügung, die allerdings innerhalb von 100 Zyklen sehr schnell abnimmt. Die kleinste Variante Si3-COOH/Ga mit 3 nm weist eine höhere Zyklenstabilität auf – nach 500 Zyklen bleiben 90 % erhalten. Wird der Verbundstoff zusätzlich bei 600 °C zum Glühen gebracht, erhält man bei dieser Partikelgröße eine spezifische Kapazität von etwa 1100 Ah/kg. „Die kleineren Partikel sind besser in der Lage, die Belastung zu bewältigen, die bei der Lithiumaufnahme und -abgabe entsteht – man kann es sich wie Atmen vorstellen“, erklärt Jillian Buriak, Chemieprofessorin der University of Alberta und und Leiterin des Lehrstuhls Nanomaterials for Energy.

Das Graduiertenprogramm ATUMS, eine Kooperation mit der Technischen Universität München, unterstützt das Projekt. Dessen Direktor, Jonathan Veinot: „Der nächste Schritt ist die Entwicklung einer schnellen und kostengünstigen Methode zur Herstellung von Siliziumnanopartikeln, um sie für die Industrie zugänglich zu machen.“

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