Gemeinsam stärker: Verschränkte Elektroden verlängern die Lebensdauer von Siliziumbatterien

In der Praxis bedeutet dies, dass Elektrofahrzeuge weiter fahren können und Smartphones länger mit der gleichen Batteriegröße betrieben werden können

28.05.2025

Jetzt hat ein gemeinsames Forschungsteam ein In Situ Interlocking Electrode-Electrolyte (IEE)-System entwickelt, das Elektrode und Elektrolyt zu einer chemisch verschränkten Struktur verbindet, ähnlich wie Ziegelsteine, die von gehärtetem Mörtel zusammengehalten werden, so dass sie auch bei starker mechanischer Belastung fest verbunden bleiben (Symbolbild).

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Angesichts der steigenden Nachfrage nach Batterien, die mehr Energie speichern und länger halten, um Elektrofahrzeuge, Drohnen und Energiespeichersysteme anzutreiben, hat ein südkoreanisches Forscherteam einen bahnbrechenden Ansatz zur Überwindung einer wesentlichen Einschränkung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) vorgestellt: instabile Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyten.

Die meisten der heutigen Unterhaltungselektronikgeräte - wie Smartphones und Laptops - sind auf Batterien auf Graphitbasis angewiesen. Graphit bietet zwar langfristige Stabilität, aber nur eine geringe Energiekapazität. Silizium hingegen kann fast zehnmal mehr Lithiumionen speichern und ist damit ein vielversprechendes Anodenmaterial der nächsten Generation. Der größte Nachteil von Silizium ist jedoch, dass es sich während des Ladens und Entladens drastisch ausdehnt und zusammenzieht und dabei bis auf das Dreifache seiner ursprünglichen Größe anschwillt. Diese wiederholte Ausdehnung und Kontraktion führt zu mechanischen Lücken zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten, was die Batterieleistung schnell verschlechtert.

Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher versucht, flüssige Elektrolyte durch feste oder Quasi-Festkörperelektrolyte (QSSEs) zu ersetzen, die mehr Sicherheit und Stabilität bieten. QSSEs haben jedoch immer noch Schwierigkeiten, den vollständigen Kontakt mit dem sich ausdehnenden und schrumpfenden Silizium aufrechtzuerhalten, was im Laufe der Zeit zu einer Trennung und einem Leistungsverlust führt.

Nun hat ein gemeinsames Forschungsteam der POSTECH (Pohang University of Science and Technology) und der Sogang University ein In Situ Interlocking Electrode-Electrolyte (IEE) System entwickelt, das kovalente chemische Verbindungen zwischen Elektrode und Elektrolyt herstellt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, bei denen sich die Komponenten lediglich berühren, verbindet das IEE-System die beiden zu einer chemisch verschränkten Struktur, wie Ziegelsteine, die durch gehärteten Mörtel zusammengehalten werden, so dass sie auch bei starker mechanischer Beanspruchung fest verbunden bleiben.

Bei elektrochemischen Leistungstests zeigte sich ein dramatischer Unterschied: Während herkömmliche Batterien schon nach wenigen Lade-/Entladezyklen an Kapazität einbüßten, blieben die Batterien mit dem IEE-Design langfristig stabil. Besonders bemerkenswert ist, dass die IEE-basierte Pouch-Zelle eine Energiedichte von 403,7 Wh/kg und 1300 Wh/L aufwies, was einer über 60 % höheren gravimetrischen Energiedichte und einer fast doppelt so hohen volumetrischen Energiedichte im Vergleich zu handelsüblichen LIBs entspricht. In der Praxis bedeutet dies, dass Elektrofahrzeuge weiter fahren können und Smartphones mit der gleichen Batteriegröße länger betrieben werden können.

"Diese Studie gibt eine neue Richtung für Energiespeichersysteme der nächsten Generation vor, die gleichzeitig eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer erfordern", sagte Professor Soojin Park von POSTECH, der die Studie leitete. Professor Jaegeon Ryu von der Sogang-Universität fügte hinzu: "Die IEE-Strategie ist eine Schlüsseltechnologie, die die Kommerzialisierung von Batterien auf Siliziumbasis beschleunigen könnte, indem sie die Grenzflächenstabilität deutlich verbessert."

Die Forschung wurde von Professor Soojin Park (Department of Chemistry, POSTECH), Dr. Dong-Yeob Han, Dr. Im-Kyung Han (Department of Materials Science, POSTECH) und Professor Jaegeon Ryu (Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Sogang University) geleitet. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht, mit Unterstützung des Korea Institute of Materials Science und des Korea Institute for Advancement of Technology.

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Originalveröffentlichung

Dong‐Yeob Han, Im Kyung Han, Jin Yong Kwon, Seoha Nam, Saehyun Kim, Youngjin Song, Yeongseok Kim, Youn Soo Kim, Soojin Park, Jaegeon Ryu; "Covalently Interlocked Electrode–Electrolyte Interface for High‐Energy‐Density Quasi‐Solid‐State Lithium‐Ion Batteries"; Advanced Science, 2025-4-16

https://www.chemie.de/news/1186362/gemeinsam-staerker-verschraenkte-elektroden-verlaengern-die-lebensdauer-von-siliziumbatterien.html