Silizium für mehr Kapazität

Nanodraht-Anoden in neuartigen Akkumulatoren sollen die Leistung von Lithium-Energiespeichern deutlich erhöhen.

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Bereits marktreife Lithium-Batterien können Elektrofahrzeuge zu einer Reichweite von mehreren hundert Kilometern verhelfen – und die Hersteller sind derzeit dabei, der Öffentlichkeit zu beweisen, dass ihre Technik sicher und haltbar genug für die Massenproduktion ist.

Die Akku-Entwickler geben sich damit aber nicht zufrieden; sie arbeiten bereits an der nächsten Generation der Energiespeicher. Im Dezember zeigte ein Team aus Materialwissenschaftlern an der Stanford University, wie sie mit Hilfe von Nanodraht-Elektroden die Kapazität von Lithium-Batterien mindestens verdreifachen können – bei gleichzeitig erhöhter Stabilität.

Die Technologie stammt aus dem Labor des Nano-Innovators Yi Cui. Sein Mitstreiter war der Batterieexperte Robert Huggins vom "Materials Science and Engineering Department". Der Ansatz der beiden Forscher basiert auf Komponenten, die nur wenige Atome breit sind und dennoch als Elektroden hoher Kapazität dienen können: Silizium-Nanodrähte absorbieren rund zehn Mal mehr Lithium-Ionen im Vergleich zu herkömmlichen Anoden aus Graphit. Ebenso stark steigt die Energieabgabeleistung.

Wenn eine Lithium-Batterie geladen wird, werden die Ionen von der positiven Elektrode (Kathode) zur negativen (Anode) verschoben. Silizium besitzt die richtige elektrochemische Affinität zu Lithium, sodass es schon lange als interessantes Anodenmaterial gilt. Doch seine Leistungsfähigkeit war eigentlich zu groß: Silizium absorbiert so viele Ionen, dass die Anode auf das bis zu Vierfache ihre Originalgröße anschwillt. Das hat zur Folge, dass das Material brechen kann. Nach nur wenigen Ladevorgängen sind Siliziumanoden bislang nicht mehr zu gebrauchen.

Die von Cui und Huggins entwickelten Nanodrähte auf Siliziumbasis nehmen diesen Anschwellprozess hingegen leicht. Beim Ladevorgang wuchsen sie im Versuch zwar von 89 auf 141 Nanometer Breite. Gleichzeitig reckten sie sich aber, was die Belastungsenergie abbaute. Ergebnis: Auch nach mehr als 20 Zyklen ergaben sich keine Anzeichen mechanischer Schäden.

Ebenfalls kein Problem sollen laut Cui Verunreinigungen sein, die bei Graphit-Elektroden in Lithium-Akkus zu Sicherheitsproblemen führen – darunter die vielpublizierten Hitzeentwicklungen oder gar Brände bei Laptops. (Beides führte Anfang Januar dazu, dass das US-Verkehrsministerium die Mitnahme von Laptop-Akkus im Flugzeug einschränkte.) "Silizum wird potenziell deutlich sicherer als Kohlenstoff sein", betont Cui, der dies auch als großen Vorteil beim Einbau in Elektrofahrzeuge sieht. "Es braucht nur ein oder zwei Unfälle zu geben, schon ist eine Technologie am Ende." Langzeittests mit deutlich mehr Ladezyklen würden derzeit durchgeführt, um die Stabilität und Sicherheit der Nanodrähte eindeutig zu verifizieren.

Natürlich hat auch die Stanford-Methode Nachteile. Der Produktionsprozess, den Cui zum "Wachsenlassen" der Nanodrähte nutzt, erfolgt bei hohen Temperaturen zwischen 600 und 900 Grad. Dabei wird gasförmiges Silizium mit einem Katalysator aus verflüssigtem Gold zum Reagieren gebracht. Es ist unklar, wie teuer eine solche Anlage im industriellen Maßstab wäre. Technisch durchführbar sei dies aber auf alle Fälle, meint Cui. Um für alle Fälle gewappnet zu sein, untersucht er laut eigenen Angaben parallel jedoch noch "einen weiteren Ansatz".

Viying Wu vom Institut für Chemie an der Ohio State University, hält die Arbeit von Cui und Huggins für "eindeutig sehr wichtig". Weitere Fortschritte in der Produktionstechnologie seien aber notwendig, bevor es die von den Forschern erhofften Einsätze in Hochleistungsgeräten und Elektrofahrzeugen geben könne. Auch Wu verweist dabei auf die Notwendigkeit eines kommerziell tragfähigen Herstellungsprozesses für Nanodrähte.

Eine weitere Einschränkung: Zwar bilden die Silizium-Nanodrähte aus Stanford eine hervorragende Anode, doch die ebenfalls in Lithium-Batterien enthaltene Kathode könnte eine Aufrüstung noch deutlicher vertragen. Ein Akku mit einer "Super-Anode" nützt nichts, wenn es keine entsprechende Kathode gibt, die mehr Ladung abgeben kann.

Sowohl Cui als auch Wu, der selbst an einer eigenen Lithium-Anode arbeitet (die aber auf einem Kobaltoxid-Nanodraht basiert), sagen, dass ihre Labors parallel an neuen Materialien für Kathoden arbeiten. "Das ist der heilige Gral in diesem Geschäft", sagt Wu. Derjenige, der es schaffe, eine deutlich höhere Kathoden-Kapazität zu erreichen, liefere schließlich einen "riesigen Durchbruch für die Lithium-Batterie-Technik". (bsc)