Silizium zeigt sich in einigen Forschungsarbeiten als vielversprechendes Material - Batterien auf dieser Basis könnten über 1100 Stunden Laufzeit haben. Ersetzt man in einem Lithium-Ionen-Akku in der Anode das Graphit durch Silizium, ließe sich seine Kapazität versechsfachen. Das hat ein Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) belegt. Die Forscher haben erstmals detailliert beobachtet, wie Lithium-Ionen in Silizium einwandern. Ihre Arbeit zeigt, dass schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um die theoretisch mögliche Kapazität des Akkus zu realisieren.
Dünne Schicht - große Wirkung
Mit Neutronenmessungen am französischen Institut Laue-Langevin konnten Forscher zeigen, dass beim Aufladen die Lithium-Ionen nicht tief in das Silizium eindringen, sondern sich vor allem in der unmittelbaren Grenzschicht einlagern. So entsteht eine dünne Schicht mit einem sehr hohen Lithiumgehalt. Damit würden schon extrem dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen.
Nun hat ein Team aus dem HZB-Institut unter Leitung von Prof. Dr. Matthias Ballauff erstmals eine Halbzelle aus Lithium und Silizium beim Be- und Entladen direkt beobachtet. „Mit der Methode der Neutronenreflektometrie konnten wir präzise verfolgen, wo sich Lithium-Ionen in der Silizium-Elektrode einlagern und auch, wie schnell sie sich bewegen“, sagt Dr. Beatrix-Kamelia Seidlhofer, die die Experimente an der Neutronenquelle im Institut Laue-Langevin durchgeführt hat.
Dabei fanden die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Zonen. Nahe der Grenzfläche zum Elektrolyten bildet sich eine etwa 20 Nanometer dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt: Auf zehn Silizium-kommen 25 Lithium-Atome. Daran schließt sich eine zweite lithiumärmere Schicht an. Hier kommt auf zehn Silizium-Atome nur noch ein Lithium-Atom. Beide Schichten zusammen sind nach dem zweiten Ladezyklus weniger als 100 Nanometer dick.
Nach dem Entladen bleibt in der Silizium-Grenzschicht zum Elektrolyten etwa ein Lithium-Ion pro Silizium-Platz in der Elektrode zurück. Damit errechnet Beatrix-Kamelia Seidlhofer, dass die theoretisch maximale Kapazität solcher Silizium-Lithium-Batterien bei etwa 2300 Milliamperestunden/Gramm liegt. Das ist mehr als das Sechsfache der theoretisch maximal erreichbaren Kapazität bei einem Lithium-Ionen-Akku, der mit Graphit arbeitet (372 mAh/g).
Aus dieser Arbeit ergeben sich konkrete Hinweise für das Design von starken Silizium-Elektroden: Sehr dünne Siliziumfilme müssten völlig ausreichen, um maximal viel Lithium aufzunehmen, was wiederum Material und vor allem Energie bei der Herstellung spart.
