Silizium aus Silikaten 22.07.2015, 08:39 Uhr

Anoden aus Schilf machen Akkus leistungsfähiger

Schilf kann viel mehr als schön aussehen und Dächer decken: Ein deutsch-chinesisches Forscherteam verwandelt die hochporösen Silikate in der Wasserpflanze in Silizium. Mit Kohlenstoff beschichtet ist das Material ideal für den Bau leistungsfähiger Akkus.

Schilf im Sonnenuntergang: Die Pflanze ist nicht nur hervorragendes Material für die Deckung von Dächern. Sie könnte auch Akkus leistungsfähiger machen.

Schilf im Sonnenuntergang: Die Pflanze ist nicht nur hervorragendes Material für die Deckung von Dächern. Sie könnte auch Akkus leistungsfähiger machen.

Foto: maaddin/Flickr

Schilf, das in Massen an Seen und Flüssen wächst, soll künftig die Leistung der Lithium-Ionen-Batterien verbessern. Die wasserabweisenden Pflanzen bestehen aus extrem fein strukturierten Silikaten – das sind chemische Verbindungen aus Sauerstoff, Silizium und einem Metall. Diese Strukturen eignen sich ideal für die Herstellung von Anoden. Batterien erreichen im Vergleich zu klassischen Anoden aus Graphit eine höhere Speicherdichte.

Zwar haben Batteriehersteller Siliziumanoden nach dem Vorbild der Schilfstrukturen bereits hergestellt. Der Prozess ist bislang allerdings so aufwendig und teuer, dass eine wirtschaftliche Produktion trotz der damit verbundenen Leistungssteigerung nicht möglich ist. Schilf bietet einen Ausweg. Das haben chinesische und deutsche Wissenschaftler jetzt herausgefunden.

Magnesiothermie löst Metalle und Sauerstoff

Yan Yu, Professorin an der University of Science and Technology of China, und ihre Kollegen vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und der South China University of Technology wandeln die im Schilf vorhandenen Silikate in Silizium um. Das gelingt mit der sogenannten Magnesiothermie – ein Hochtemperaturverfahren, das die Metalle und den Sauerstoff herauslöst. Dabei schrumpft das Material. Die Struktur bleibt jedoch erhalten.

Das Schilfblatt enthält einen großen Anteil an mikro- und nanostrukturiertem Silikat. Es lässt sich in hocheffiziente Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus umwandeln.

Das Schilfblatt enthält einen großen Anteil an mikro- und nanostrukturiertem Silikat. Es lässt sich in hocheffiziente Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus umwandeln.

Quelle: Wiley-VCH

Der Schrumpfprozess hat sogar einen Vorteil: Die Poren werden noch kleiner und das Material damit noch effektiver. In einem letzten Schritt beschichten die Forscher das hochporöse Silizium mit Kohlenstoff. Das ergibt ein Anodenmaterial, das mit hoher spezifischer Kapazität und einer sehr guten Aufladerate und Zyklusstabilität aufwartet, wie sie für moderne Lithium-Ionen-Akkumulatoren gefordert sind, schreiben die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Standfestigkeit von Siliziumanoden war bisher gering

Wenn das stimmt, hat die deutsch-chinesische Forschertruppe ein Grundproblem poröser Siliziumanoden gelöst. Bisherige Versuche mit aufbereitetem Silizium waren schon nach wenigen Lade- und Entladezyklen zu Ende. Die Anoden schrumpften und dehnten sich dabei im Wechsel aus. Dieses unerwünschte Arbeiten des Materials führte schnell zur Zerstörung.

Bisher ist Schilf lediglich als Baustoff bekannt. Dabei spielen die Wasser abweisenden Silikate eine wichtige Rolle. Die Pflanze ist ein hervorragendes Material zur Deckung von Dächern. Sie lässt sich auch zur Wärmedämmung der Fassaden nutzen.

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