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Forscher wollen Lithium-Ionen Batterien mehr Power geben

© Forschungszentrum Jülich, Foto: C. Chen et. al.© Forschungszentrum Jülich, Foto: C. Chen et. al.Jülich - Silizium-basierte Anoden können in Lithium-Ionen Akkus prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit. Noch hat die Sache in der Praxis aber einen Haken.

Am Forschungszentrum Jülich sind Wissenschaftler dem Problem auf der Spur, warum die eigentlich besseren Silizium-Anoden bereits nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp machen. Sie zeichnen ein detailreiches Bild vom Ablauf beim Ladevorgang und weisen den Weg, wie eine strukturelle Stabilität der Anode erreicht werden könnte.

Mit Silizium-Anoden in Lithium-Ionen Batterien könnten Elektroautos länger fahren
Lithium-Ionen Akkus könnten bei gleichem Gewicht und gleicher Größe prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit. Doch es gibt ein Problem: Schon nach kurzem Einsatz der Batterie bilden sich in der Silizium-Anode Risse oder Teile des Materials wandeln sich gar in ein Pulver um. Ein Team um die Jülicher Forscher Dr. Chunguang Chen und Prof. Peter Notten des Instituts für Energie- und Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich hat nun Vorschläge unterbreitet, an welcher Stelle zur Verbesserung der Stabilität der Silizium-Anoden zukünftig angesetzt werden sollte.

Defekte: Forscher zeichnen detailreiches Bild über die Ladevorgänge
Die Untersuchungen zeichnen ein detailreiches Bild vom Ablauf beim Ladevorgang, den die Forscher auch in einem Video verdeutlichen: Lithiumionen aus dem flüssigen Elektrolyten wandern zur atomar glatten Oberfläche des Silizium-Kristalls. Dort entstehen nacheinander zwei Schichten einer sogenannten Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (Solid Electrolyte Interphase, kurz: SEI). Die Forscher fanden heraus, dass sich die SEI nicht überall einheitlich – homogen – ausbildet. Vor allem in der äußeren SEI-Schicht (Bild: roter Bereich) gibt es dickere und dünnere Bereiche sowie Bereiche mit stark unterschiedlicher Lithiumionen-Beweglichkeit, so Dr. Chunguang Chen. Die Folgen: Auch die Lithium-Silizium-Legierung unter der SEI bildet sich trotz des ursprünglich perfekten Silizium-Kristalls nicht homogen aus. Es entstehen direkt beim ersten Ladevorgang Bereiche mit unterschiedlich hohem Lithium-Anteil sowie Risse und andere Defekte an der Grenze zwischen amorpher Legierung und Kristall (Bild: gelber, grauer Bereich).

Ziel: Unterdrückung der Defekte beim ersten Ladevorgang
Schon die ersten Defekte bilden den Ausgangspunkt für eine Verformung der gesamten Anode, erläutert Prof. Peter Notten. Die amorphe Legierungsschicht dehnt sich um bis zu 300 Prozent aus und schrumpft beim zyklischen Ein- und Ausbau der Lithiumionen. Diese Volumenänderung setzt den Siliziumkristall darunter derart unter Spannung, sodass dieser bevorzugt an den Defekten nachgibt. „Will man die strukturelle Stabilität der Anode beim zyklischen Laden und Entladen der Batterie erhöhen, muss man bereits die Entstehung der Defekte unterdrücken, die beim ersten Ladevorgang entstehen“, folgert Dr. Chen. Erfolgversprechender Ansatzpunkt sei es, für eine möglichst homogene Ausbildung der inneren SEI zu sorgen.

© IWR, 2020


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09.07.2020

 



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