10x stärkere Akkus durch Silizium: Lösung gegen zerbröselnde Anode

Von Christian Kahle am 03.09.2020 10:20 Uhr
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Lithium-Ionen-Akkus könnten durch die Integration von Silizium leichter und sehr viel leistungsfähiger werden. Nun scheint es auch eine Lösung zu geben, wie man das Material überhaupt in die Stromspeicher integriert bekommt.

Seit geraumer Zeit laufen bereits Forschungsarbeiten in diese Richtung. Und das aus gutem Grund: Berechnungen auf Grundlage der Kenntnisse über die einzelnen Materialien kommen zu dem Schluss, dass ein Ersetzen der Graphit-Anode durch Silizium die Speicherkapazität bis zu einem Faktor 10 steigern kann. Praktische Versuche bestätigten dies - leider erwiesen sich die Ansätze aber als wenig haltbar. Die Silizium-Anoden zerfielen beim be- und entladen der Akkus extrem schnell, so dass an einen Praxiseinsatz nicht zu denken war.

An der Clemson University will man nun aber eine Lösung des Problems gefunden haben. Die Forscher setzten die Anoden hier aus extrem dünnen Schichten von Silizium und so genanntem Buckypaper zusammen. Bei letzterem handelt es sich um Folien, die aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zusammengesetzt sind. Das Buckypaper kann bereits in nennenswerten Mengen produziert werden und ist auch schon für andere Anwendungen wie beispielsweise Hitzeschutz-Beschichtungen in Flugzeugantrieben im Gespräch.

Neue Silizium-Anode für Akkus
Das neue Material stark vergrößert

Schneller Laden

Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sor­gen hier da­für, dass die vor­mals festen und ziem­lich starren Sili­zium-Blöcke deut­lich flexibler wer­den. Denn die einzel­nen Sili­zium-Schichten sind nicht mehr direkt mit­einander ver­bunden, durch das Bucky­paper aber weiterhin so mitei­nander in Kontakt, dass es keine Ab­striche bei den elek­trischen Eigenschaften gibt.

Experimente zeigten, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Silizium-Atome auch noch nach über 500 Ladezyklen fest an ihrem Platz hielten. Daraus lässt sich bereits schließen, dass die neuen Anoden zumindest keine kürzere Lebenszeit für den Akku mehr mit sich bringen als die klassischen Graphit-Komponenten. Und es gibt noch einen Bonus: Die Nanoröhrchen bilden einen Puffer-Mechanismus, der es erlaubt, die Speicher vier Mal so schnell aufzufüllen, wie es bisher möglich ist, was vor allem bei Akkus für Elektroautos enorme Vorteile mit sich brächte.

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