Mehr Kapazität durch Silizium statt Graphit

Ein Team vom Institut für weiche Materie und funktionale Materialien des Helmholtz- Zentrums Berlin (HZB) hat erstmals eine Halbzelle aus Lithium und Silizium beim Be- und Entladen direkt beobachten können.

Lithium-Ionen wandern in die Schicht aus kristallinem Silizium ein. Im Lauf der Beladung bildet sich eine 20 Nanometer dünne Schicht (rot) in der Si-Elektrode, die extrem viele Lithium- Atome aufnimmt
Lithium-Ionen wandern in die Schicht aus kristallinem Silizium ein. Im Lauf der Beladung bildet sich eine 20 Nanometer dünne Schicht (rot) in der Si-Elektrode, die extrem viele Lithium- Atome aufnimmt

Besonders Elektroautos kommen mit den gängigen Lithium-Ionen-Akkus nicht sehr weit, denn die momentan verwendeten Elektroden aus Graphitschichten können nur eine begrenzte Anzahl von Lithium-Ionen einlagern, was weitere Kapazitätssteigerungen verhindert. Als Alternative zum Graphit wird deshalb mit Halbleitermaterialien wie Silizium geforscht, da diese in der Lage sind, enorme Mengen an Lithium aufzunehmen und die Kapazität der Akkus so theoretisch um das Sechsfache zu steigern. Mit Neutronenmessungen konnten die 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 nur 20 Nanometer dünne Schicht, die extrem viel Lithium enthält. Damit würden sehr dünne Silizium-Schichten ausreichen, um eine maximale Beladung mit Lithium zu ermöglichen. Allerdings zerstört das Einwandern der Lithium-Ionen die Kristallstruktur des Siliziums, was zu großen mechanischen Spannungen führen kann.

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Bild: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH