Kapazität von Li-Ionen-Akkus lässt sich verblüffend leicht steigern

Bereits eine kleine Änderung beim Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus könnte dessen Kapazität um ein Vielfaches steigern. Den dahintersteckenden Vorgang konnten Forscher vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) jetzt erstmals direkt beobachten und Hinweise liefern, wie sich ein bisher kaum lösbares Problem ziemlich einfach beheben lässt. In den heutigen Lithium-Ionen-Akkus kommen Anoden aus Graphit zum Einsatz. Bekannt ist bereits, dass es zu erheblichen Leistungssteigerungen kommt, wenn man dieses durch Silizium ersetzt. Allerdings zeigten praktische Versuche, dass es nicht damit getan ist, einfach das andere Material zu verwenden.

Die aktuellen Grenzen bei der Kapazität der Akkus rühren daher, dass das Graphit nur eine recht begrenzte Menge an Lithium-Ionen aufnehmen kann. Daher ist rein physikalisch kaum noch Spielraum zu signifikanten Leistungssteigerungen. Bekannt ist aber auch, dass Silizium in der Lage ist, enorme Mengen mehr an Lithium aufzunehmen.

Doch hier gibt es ein Problem: Wenn sich das Lithium einlagert, kann das Volumen des Silizium-Kritallgitters um das Dreifache anschwellen. Das führt in der Anode zu relativ hohen Spannungen, die die Struktur viel zu schnell zerstören, als dass an eine Anwendung in der Praxis zu denken wäre. Doch die aktuellsten Beobachtungen der Forscher weisen nun auf eine ziemlich einfache Lösung des Problems hin.

Einlagerung live 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", erklärte Beatrix-Kamelia Seidlhofer, die das Experiment durchführte. Dabei wurden im Grunde zwei Zonen sichtbar: An der Grenzfläche zum Elektrolyt bildete sich eine sehr dünne Schicht mit extrem hohem Lithium-Gehalt. Auf zehn Silizium-Atome kamen hier 25 Lithium-Atome. Dahinter folgt eine Schicht mit nur noch einem Lithium-Atom. Beide Schichten zusammen sind lediglich 100 Nanometer dick.

Es würde also völlig ausreichen, wenn die Anode aus einer solch extrem dünnen Schicht besteht. Dadurch würden nicht nur die Spannungskräfte auf die Kristallstruktur wesentlich geringer ausfallen, sondern man könnte bei der Produktion auch Rohstoffe einsparen. Aus den Beobachtungen konnten die Forscher errechnen, dass die deutlich stärkere Einlagerung von Lithium-Ionen dafür sorgen würde, dass die Kapazität eines Akkus mit Silizium-Anode in der Theorie um das Sechsfache gesteigert werden könnte. Das wird in der Praxis sicherlich nicht vollständig erreicht - aber selbst eine Verdoppelung wäre für die Nutzer von Mobilgeräten sicherlich ein willkommener Segen.