Zinn-Schaum macht Lithium-Batterien leistungsfähiger
Elektroden aus Zinn-Schaum könnten die Kapazität von Lithium-Batterien deutlich erhöhen, da sie den mechanischen Stress während der Ladezyklen besser abfedern.
Zinn lässt sich zu einem hochporösen Schaum verarbeiten. Wie dieser Zinn-Schaum (abgebildet) sich als Batterieelektrode verhält, hat ein interdisziplinäres Team am HZB untersucht.
Foto: B. Bouabadi / HZB
Ein Forschungsteam am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat herausgefunden, dass poröser Zinn-Schaum mechanischen Stress bei Lithium-Ionen-Batterien effektiv reduziert. Die innovative Struktur des Schaums ermöglicht eine höhere Speicherkapazität und könnte eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Graphit-Elektroden darstellen.
Inhaltsverzeichnis
Die Herausforderung moderner Batterietechnologie
Lithium-Ionen-Batterien sind in nahezu allen Bereichen der modernen Technologie unverzichtbar. Sie kommen nicht nur in Smartphones, Laptops und Tablets zum Einsatz, sondern sind auch das Rückgrat für E-Mobilität und Energiespeicherlösungen für erneuerbare Energien. Ihre Effizienz, Energiedichte und Langlebigkeit sind entscheidende Faktoren für die weitere technologische Entwicklung.
Aktuell setzen die meisten Lithium-Ionen-Batterien auf eine Anode aus Graphit. Dieser Werkstoff ist stabil und ermöglicht einen relativ effizienten Lade- und Entladeprozess, da er die Lithium-Ionen gut aufnehmen kann, ohne dabei sein Volumen merklich zu verändern. Doch hier liegt auch die größte Einschränkung: Die Kapazitätsgrenze von Graphit ist erreicht. Dies stellt eine Herausforderung für die Weiterentwicklung leistungsfähiger Batterien dar.
Warum Metalle wie Zinn im Fokus stehen
Um die Energieeffizienz von Batterien weiter zu steigern, rückt die Forschung zunehmend metallbasierte Elektroden in den Mittelpunkt. Insbesondere Metalle wie Aluminium, Silizium und Zinn versprechen durch ihre chemische Struktur eine deutlich höhere Speicherkapazität als Graphit. Zinn fällt dabei besonders auf, da es eine fast dreimal höhere spezifische Kapazität bietet.
Das Hauptproblem bei metallischen Elektroden besteht jedoch in der sogenannten Volumenausdehnung. Während des Ladevorgangs lagern sich Lithium-Ionen im Metall ein, wodurch es zu einer erheblichen Vergrößerung des Volumens kommen kann – bei Zinn bis zu 300 %. Diese starke Volumenänderung verursacht mechanische Spannungen, die zu Rissen, Strukturveränderungen und letztlich zum Abbau der Batterie führen können.
Poröser Zinn-Schaum als neue Lösung
Das Forschungsteam am HZB hat nun eine vielversprechende Lösung für dieses Problem gefunden: hochporöser Zinn-Schaum. Diese innovative Struktur besteht aus einem Netzwerk mikroskopisch kleiner Poren, die es ermöglichen, den mechanischen Stress während der Ladezyklen deutlich zu reduzieren.
Durch die Verwendung fortschrittlicher operando Röntgenbildgebung konnten die Forschenden die strukturellen Veränderungen der Zinn-Elektroden während des Lade- und Entladevorgangs in Echtzeit analysieren. Diese Untersuchungen fanden unter anderem an der BAMline an BESSY II statt, unterstützt von Imaging-Experten wie Dr. Nikolai Kardjilov und Dr. André Hilger.
„Auf diese Weise konnten wir die strukturellen Veränderungen in den untersuchten Elektroden auf Sn-Metallbasis während der Lade-/Entladevorgänge verfolgen“, erklärt Dr. Bouchra Bouabadi, die die experimentelle Studie leitete. Diese detaillierte Analyse zeigte deutlich, wie sich die Morphologie der Zinn-Elektroden durch die ungleichmäßige Aufnahme von Lithium verändert und wie der poröse Schaum diesem Prozess entgegenwirkt.
Wie funktioniert der Zinn-Schaum?
Die besondere Struktur des Zinn-Schaums ermöglicht es dem Material, sich bei der Aufnahme von Lithium flexibel auszudehnen, ohne dabei die Integrität der Elektrode zu gefährden. Die zahlreichen mikrometergroßen Poren bieten dem Material „Spielraum“ zur Ausdehnung, sodass mechanischer Stress besser abgefangen werden kann.
Dr. Francisco Garcia-Moreno, ein Experte für Metallschäume, entwickelte die leistungsstärkste Variante der Zinn-Elektrode. „Wir konnten zeigen, dass in einem solchen Zinn-Schaum deutlich weniger mechanischer Stress während der Volumenausdehnung auftritt“, erklärt Dr. Sebastian Risse, Batterieexperte am HZB.
Diese poröse Struktur minimiert nicht nur die Gefahr von Rissen, sondern ermöglicht auch eine gleichmäßigere Verteilung der Lithium-Ionen. Das Ergebnis ist eine verlängerte Lebensdauer der Batterie bei gleichzeitig höherer Energiedichte.
Wirtschaftliche und technologische Perspektiven
Neben den technischen Vorteilen könnte die Verwendung von Zinn-Schaum auch wirtschaftlich attraktiv sein. Obwohl die Herstellungskosten für porösen Zinn-Schaum höher sind als bei herkömmlichen Zinnfolien, bietet die Technologie eine kostengünstige Alternative zu aufwendigen Nanostrukturierungen. Gleichzeitig kann der Schaum deutlich mehr Lithium-Ionen speichern, was die Energiedichte der Batterie erheblich steigert.
Dr. Garcia-Moreno, der bereits umfangreiche Erfahrungen mit Metallschäumen für die Automobilindustrie gesammelt hat, sieht in dieser Technologie ein enormes Potenzial. „Die von uns an der TU Berlin entwickelten Zinnschäume sind hochporös und eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Elektrodenmaterialien“, erklärt er.
Zudem könnte die Verwendung von Zinn-Schaum die Abhängigkeit von teuren Rohstoffen wie Kobalt verringern, was die Batterien sowohl umweltfreundlicher als auch wirtschaftlich nachhaltiger macht.
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