Dreidimensionales poröses Silicium als hochleistungsfähige Lithium-speichernde Anode
Lithiumionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras und Notebooks, mit Strom. Ihre Kapazität und damit die Laufzeit des Geräts ist bisher allerdings noch recht begrenzt. So läuft ein Notebook meist nur zwei Stunden.
Grund ist die verhältnismäßig geringe Aufnahmekapazität der enthaltenen Graphit-Anode für Lithiumionen. Ein Team um Jaephil Cho von der Hanyang University in Korea hat nun ein neues Anodenmaterial entwickelt, das den Weg für eine neue Generation von Akkus ebnen könnte. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, handelt es sich dabei um dreidimensionale hochporöse Siliciumstrukturen.Lithiumionen-Akkumulatoren erzeugen Strom durch Verschieben von Lithiumionen. Der Akku enthält meist eine Kathode (positive Elektrode) aus einem gemischten Metalloxid, z.B. Lithium-Cobalt-Oxid, und eine Anode (negative Elektrode) aus Graphit. Beim Aufladen wandern die Lithiumionen in die Anode, wo sie zwischen den Graphitschichten eingelagert werden. Beim Entladen wandern sie wieder zurück zur Kathode.
Wünschenswert wäre ein Anodenmaterial, das mehr Lithiumionen speichern könnte als Graphit. Silicium wäre eine interessante Alternative. Das Problem: Silicium dehnt sich bei der Aufnahme der Lithiumionen (Aufladung) stark aus und schrumpft bei ihrer Abgabe (Entladung) wieder zusammen. Nach mehreren Zyklen sind die notwendigen dünnen Silicium-Schichten dann pulverisiert und lassen sich nicht mehr aufladen.
Das Team um Cho entwickelte nun eine einfache Herstellungsmethode für ein poröses Silicium-Anodenmaterial, das diesen Belastungen standhalten kann. Sie glühen Siliciumdioxidnanopartikel mit Siliciumpartikeln, deren äußerste Siliciumatome kurze Kohlenwasserstoffketten tragen, bei 900 °C unter Argonatmosphäre. Aus der entstandenen Masse werden die Siliciumdioxidpartikeln durch Ätzen herausgelöst. Übrig bleiben mit Kohlenstoff überzogene Siliciumkriställchen in Form einer durchgängigen dreidimensionalen hochporösen Struktur.
Anoden aus diesem hochporösen Silicium zeigen eine hohe Ladungskapazität für Lithiumionen. Die Lithiumionen werden zudem rasch transportiert und eingelagert, so dass schnelle Lade- und Entlade-Prozesse möglich sind. Eine hohe spezifische Kapazität wird auch bei hohen Strömen erreicht. Die Volumenänderungen während der Lade-/Entladevorgänge verursachen nur ein geringes An- und Abschwellen der weniger als 70 nm dünnen Porenwände. Außderdem bildet sich während des ersten Ladezyklus eine amorphe (nichtkristalline) Siliciummasse um verbleibende Nanokriställchen in den Porenwänden. Die mechanische Beanspruchung der Porenwände macht sich im Material daher nicht mehr bemerkbar, auch nach 100 Lade-/Entladezyklen nicht.
Dr. Renate Hoer, Abteilung Öffentlichkeitsarbeit
Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.
