Forschung -

Löst Silizium die Probleme der Lithium-Ionen-Batterie?

Während die Welt in Richtung erneuerbare Energien schwenkt, aber zur gleichen Zeit immer mehr energiehungrige Elektronikgeräte produziert, besteht ein großer Bedarf an größeren Batterien mit hoher Performance.

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind zwar sehr verbreitet, aber sie sind auch nicht ganz ungefährlich. Um Unfälle zu vermeiden, umschließt man derzeit die Anode der Batterie mit einem Grafitrahmen, wodurch die Lithiumionen isoliert werden.

Eine derartige Verschalung ist nur beschränkt anwendbar, um einen physikalischen Zusammenbruch zu vermeiden. Das wiederum limitiert die Kapazität der Batterie.

Auf der Suche nach besseren Materialien bietet zum Beispiel Silizium für Lithiumbatterien hinsichtlich der Kapazität erhebliche Vorteile gegenüber Kohlenstoffgrafit.

Denn, um ein einzelnes Lithiumatom zu binden, werden sechs Kohlenstoffatome benötigt, aber ein Siliziumatom kann zur gleichen Zeit vier Lithiumatome binden. Dadurch wird die Batteriekapazität um mehr als das 10-Fache verbessert.

Wenn also so viele Lithiumionen erfasst werden können, dann bedeutet das, dass das Anodenvolumen um 300% bis 400% anschwellen wird. Das führt zu Brüchen und den Verlust der strukturellen Integrität.

Um diese Problematik zu lösen, entwickelten Forscher vom 'Okinawa Institute of Science and Technology' ein Anodendesign, das auf nanostrukturierten Siliziumschichten beruht, um die Vorteile des Siliziums zu nutzen und die physikalische Struktur der Batterie zu erhalten.

"Das jetzige Ziel der Batterietechnologie ist eine kürzere Ladezeit und bessere Leistungsabgabe", sagte Dr. Marta Haro Remon. "Während es kein Problem ist, ein Smartphone oder Laptop über längere Zeit zu laden, sollte das Laden eines Elektroautos gewiss nicht drei Stunden dauern. Auch sollte die Energieabgabe sehr zügig vonstattengehen. Ein gut durchdachtes Siliziumanodendesign kann diesen Anforderungen gerecht werden"

Die Idee hinter der neuen Anode der "Nanoparticles by Design Unit" der "Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University" ist die präzise Steuerung der Synthese und der entsprechenden physikalischen Struktur der Nanopartikel.

Schichten aus unstrukturierten Siliziumfilmen werden alternativ deponiert, wobei Nanopartikel aus Tantalmetall als eine Art 'Gerüst' funktionieren. Dadurch wird Silizium gewissermaßen in einem Tantalrahmen 'eingelegt'.

Das Ergebnis dieses Forschungsprojektes, unter der Leitung von Professor Sowwan, ist eine Anode mit höherer Leistung, exzellentem Zyklusverhalten und eingeschränktem Schwellen.

Bei genauerer Betrachtung der nanostrukturierten Siliziumschichten stellten die Forscher fest, dass Silizium eine wichtige Porosität mit einer körnerähnlichen Struktur aufweist. Damit können sich die Lithiumionen im Vergleich zu einem unstrukturierten und amorphen Silizium schneller bewegen.

Zur gleichen Zeit erlaubt die Gegenwart von Silizumkanälen entlang der 'Gerüste' aus Tantal-Nanopartikeln das Ausbreiten der Lithiumionen in der gesamten Struktur.

Die Tantalumschließung schränkt zwar das Schwellen ein und verbessert auch die strukturelle Integrität, aber sie limitiert derzeit noch die Gesamtkapazität.

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