30.04.2020 - Pacific Northwest National Laboratory

Ein Meilenstein bei der Verwendung von Silizium für Batterieanoden

Neuartiges Nanostrukturdesign verleiht einem vielversprechenden Speicherbestandteil außergewöhnliche Festigkeit

Dasselbe Material, das man an der Spitze eines Bleistifts findet - Graphit - ist seit langem eine Schlüsselkomponente in den heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Da unsere Abhängigkeit von diesen Batterien jedoch zunimmt, ist für Elektroden auf Graphitbasis ein Upgrade fällig. Dazu schauen die Wissenschaftler auf das Element, das im Zentrum der digitalen Revolution steht: Silizium.

Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums haben einen neuen Weg gefunden, um diesen vielversprechenden, aber problematischen Energiespeicherbestandteil zu nutzen. Silizium, das in Computerchips und vielen anderen Produkten verwendet wird, ist attraktiv, weil es im Vergleich zu Graphit die zehnfache elektrische Ladung pro Gramm speichern kann. Das Problem ist, dass sich Silizium beim Kontakt mit Lithium stark ausdehnt und zu schwach ist, um dem Druck bei der Elektrodenherstellung standzuhalten.

Um diese Probleme in Angriff zu nehmen, entwickelte ein Team unter der Leitung der PNNL-Forscher Ji-Guang (Jason) Zhang und Xiaolin Li eine einzigartige Nanostruktur, die die Ausdehnung des Siliziums begrenzt und es gleichzeitig mit Kohlenstoff anreichert. Ihre Arbeit, die kürzlich in der Zeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht wurde, könnte neue Elektrodenmaterial-Designs für andere Arten von Batterien informieren und schließlich dazu beitragen, die Energiekapazität der Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos, elektronischen Geräten und anderen Ausrüstungen zu erhöhen.

Dem Silizium die Nachteile nehmen

Graphit, eine leitfähige und stabile Form von Kohlenstoff, eignet sich gut, um Lithium-Ionen beim Aufladen in die Anode einer Batterie zu packen. Silizium kann mehr Lithium aufnehmen als Graphit, aber es neigt dazu, sich um etwa 300 Volumenprozent aufzublähen, wodurch die Anode auseinanderbricht. Die Forscher schufen eine poröse Form des Siliziums, indem sie kleine Siliziumpartikel zu Mikrokugeln von etwa 8 Mikrometern Durchmesser - etwa so groß wie ein rotes Blutkörperchen - aggregierten.

"Ein festes Material wie zum Beispiel Stein bricht, wenn es sich zu stark im Volumen ausdehnt", sagte Zhang. "Was wir geschaffen haben, ist eher schwammartig, wo im Inneren Platz ist, um die Ausdehnung aufzunehmen.

Die Elektrode mit poröser Siliziumstruktur weist eine Dickenänderung von weniger als 20 Prozent auf, während sie die doppelte Ladung einer typischen Graphitanode aufnimmt, wie die Studie ergab. Im Gegensatz zu früheren Versionen von porösem Silizium wiesen die Mikrokugeln dank der Kohlenstoff-Nanoröhren, die die Kugeln wie Garnknäuel aussehen lassen, jedoch auch eine außergewöhnliche mechanische Festigkeit auf.

Superstarke Mikrokugeln

Die Forscher schufen die Struktur in mehreren Schritten, indem sie zunächst die Kohlenstoff-Nanoröhren mit Siliziumoxid beschichteten. Dann wurden die Nanoröhren in eine Emulsion aus Öl und Wasser gegeben. Dann wurden sie zum Sieden erhitzt.

"Die beschichteten Kohlenstoff-Nanoröhren kondensieren zu Kugeln, wenn das Wasser verdampft", sagte Li. "Dann verwendeten wir Aluminium und höhere Hitze, um das Siliziumoxid in Silizium umzuwandeln, gefolgt von einem Eintauchen in Wasser und Säure, um Nebenprodukte zu entfernen. Was aus diesem Prozess entsteht, ist ein Pulver, das aus den winzigen Siliziumpartikeln auf der Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhren besteht.

Die Festigkeit der porösen Siliziumkugeln wurde mit der Sonde eines Rasterkraftmikroskops getestet. Die Autoren stellten fest, dass eines der nanogroßen Garnkügelchen "unter sehr hoher Druckkraft leicht nachgeben und etwas Porosität verlieren kann, aber es bricht nicht".

Dies ist ein gutes Vorzeichen für die Kommerzialisierung, denn Anodenmaterialien müssen bei der Herstellung in Rollen eine hohe Kompression verkraften. Der nächste Schritt, so Zhang, sei die Entwicklung skalierbarerer und wirtschaftlicherer Methoden zur Herstellung der Silizium-Mikrokugeln, damit sie eines Tages ihren Weg in die nächste Generation von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien finden können.

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