Silizium statt Graphit: Akkus doppelt so stark

Speicherkapazität lässt sich laut Wiener Forschern theoretisch auf das Sechsfache erhöhen. [...]

Die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich deutlich erhöhen, wenn als Elektrode Silizium statt Graphit zum Einsatz kommt. „Pro Silizium-Atom könnte man ein Lithium-Ion speichern, damit ließe sich die Speicherkapazität theoretisch auf das Sechsfache steigern“, so Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien.

Elastische Hüllschicht als Ziel

Da sich die Siliziumkörnchen beim Laden der Batterie stark ausdehnen, zerbröseln sie mit der Zeit. Die Lebensdauer einer solchen Batterie ist untragbar kurz. Ein weiteres Problem: Durch den Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten, der die Elektroden voneinander trennt, entsteht eine nanometerdicke Hüllschicht. Diese zerreißt immer wieder, weil sich das Silizium ausdehnt. Es bildet sich immer wieder neues Hüllmaterial. Bei Graphit bildet sich zwar auch eine Hüllschicht, doch diese hat nach einigen Lade- und Entladezyklen ihre endgültige Dicke erreicht.

Hätte man einen Elektrolyten, der eine elastische Hüllschicht erzeugt, wäre man aus dem Schneider, sagten sich die Wiener Forscher und stießen prompt auf eine Hürde. Sie hatten kein Instrument, um die extrem dünnen Schichten zu analysieren und auf ihr Elastizitätsverhalten zu prüfen. Gemeinsam mit Materialforscher Frank Renner von der Universität Hasselt haben die Experten ein neues Messverfahren entwickelt. Es basiert auf einem Rasterkraftmikroskop – ein Gerät, das eine Oberfläche mit einer unvorstellbar feinen Spitze abtastet. Es ist an einer Blattfeder befestigt, die sich analog zur Oberflächenstruktur bewegt. Daraus lässt sich diese berechnen.

Doppelte Kapazität realistisch

Laut den Forschern ist es wichtig, nicht nur die Struktur zu bestimmen, sondern auch die Elastizität. Das gelingt durch eine Veränderung der Kraft, mit der die feine Spitze aufgedrückt wird. Jetzt werden unterschiedliche Elektrolyte getestet, um die elastischste Hüllschicht zu erhalten. Bei Lithium-Ionen-Akkus gibt es laut Valtiner noch großes Potenzial. Eine Steigerung der Batteriekapazität auf das Doppelte sei realistisch. Das würde die Reichweite von E-Autos verdoppeln. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass sich mit siliziumbasierten Akkus bis zu 50 Prozent höhere Speicherdichten erreichen lassen.