Anodentechnik 25.02.2014, 10:25 Uhr

Vorbild Granatapfel: Batterien können Leistung verzehnfachen

Die Leistungsfähigkeit von Batterien lässt sich verzehnfachen, wenn Silizium als Rohstoff für die Batterie-Elektroden eingesetzt wird und nicht wie üblicherweise Graphit. Im Prinzip ist das seit langem bekannt. In der Praxis scheiterte das bisher daran, dass das Silizium nach mehrmaligem Aufladen der Batterie brüchig wird und die Leistung stark absinkt. Das lässt sich aber bei Anwendung des Granatapfel-Prinzips vermeiden.

Vom Granatapfel inspiriert haben US-Forscher eine Anodentechnik entwickelt, die das Silizium in der Batterie ähnlich umhüllt wie die Frucht ihre Teilchen. 

Vom Granatapfel inspiriert haben US-Forscher eine Anodentechnik entwickelt, die das Silizium in der Batterie ähnlich umhüllt wie die Frucht ihre Teilchen. 

Foto: Greg Stewart/SLAC

Im Granatapfel sind die Kerne mehrfach umhüllt, um sie auf diese Weise nachhaltig zu schützen. Sie sind vom Fruchtfleisch umgeben und sitzen dann dicht an dicht in der Hüllschale. Professor Yi Cui aus der Materialforschung der Stanford University in den Vereinigten Staaten sowie das benachbarte SLAC National Accelerator Laboratory hat sich vom Granatapfel inspirieren lassen und das Silizium in der Batterie in vergleichbarer Weise umhüllt.

Winzige Silizium-Partikel werden verpackt

Das Silizium wird in Form von Nano-Partikelchen in Kleinstpackungen aus einzelnen leitfähigen Kohlenstoffmänteln gepackt. Dabei haben die Silizium-Partikel genügend Platz zum Dehnen und Schrumpfen während des Ladevorgangs. Zugleich aber können die Partikel nicht weiter zerfallen, weil sie bereits Nano-Größe erreicht haben. Die einzelnen Packungen werden dann mittels Mikroemulsionstechnik zu Clustern zusammengefügt, die wiederum mit einer dickeren Kohlenstoffschicht umhüllt werden. Das hält die Partikel fest zusammen, bildet eine stabile Basis für den Stromfluss und sorgt zugleich dafür, das das Elektrolyt nicht das Silizium beschädigen kann.

Weiterer Pluspunkt: Langlebigkeit

Wie das Team von Professor Cui berichtet, sind die einzelnen Cluster nicht mit dem menschlichen Auge sichtbar. Dem Betracher bietet sich lediglich das Bild eines feinkörnigen schwarzen Pulvers. Wird dieses auf eine Folie aufgetragen, so ist die passende Anode für Lithium-Ionen-Batterien entstanden. Professor Cui betont, die bisherigen Tests hätten gezeigt, dass die nach dem Granatapfel-Prinzip aufgebauten Anoden selbst nach 1000 Ladezyklen noch 97 Prozent ihrer Kapazität besäßen. Unabhängig von der hohen Stromspeicherkapazität macht gerade die Langlebigkeit die neue Technik für Batterieanoden so interessant.

Bis zur Serienreife noch umfangreiche Arbeiten nötig

Bis der beschriebene neue Anoden-Typ tatsächlich in der Batterieproduktion in größerem Stil eingebaut werden kann, sind noch umfangreiche Arbeiten erforderlich. So muss der aufwändige, komplizierte Produktionsprozess für das Anoden-Material spürbar vereinfacht werden. Darüberhinaus muss der Materialpreis für die Silizium-Nanopartikelchen deutlich gesenkt werden. Erreicht werden könnte dies laut Professor Cui möglicherweise über die harten Hüllschalen des Reiskorns, da sie ein hochwertiges Siliziumdioxid enthalten.

Anodentechnik nicht nur für Lithium-Ionen-Batterien nutzbar

Die geschilderte neue Anodentechnik für Lithium-Ionen-Batterien ist zuerst in der britischen Fachzeitschrift „Nature Nanotechnolgy“ veröffentlicht worden. Die neue Technik scheint danach auch auf einige andere Batteriearten anwendbar zu sein. Das gilt für Lithium-Schwefel-Batterien wie auch für so genannte Lithium-Luft-Batterien.

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