Zehn Mal leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akkus

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Forscher der Stanford Universität haben den Blick aus den Labors in die Natur geworfen. Der Granatapfel erregte ihr Interesse und inspirierte sie bei der Entwicklung einer Silizium-Anode für Lithium-Ionen-Akkus. Dabei erzielten sie erstaunliche Ergebnisse. Für eine kommerzielle Nutzung müssen jedoch noch einige Hürden überwunden werden.

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Granatapfelakku - Illustration. (Quelle: Greg Stewart/SLAC)

Schematische Darstellung der Silizium-Anoden (Quelle: Nian Liu, Zhenda Lu and Yi Cui/Stanford)

Mikroskopische Betrachtung der Clusteranordnung der Silizium-Anoden (Quelle: Nian Liu, Zhenda Lu and Yi Cui/Stanford)

An der Universität Stanford und dem daran angeschlossenen SLAC National Accelerator Laboratory haben sich Forscher die Natur zum Vorbild genommen, um verbesserte Lithium-Ionen-Akkus zu entwickeln. Für höhere Kapazitäten und eine längere Lebensdauer liessen sich die Wissenschaftler um Professor Yi Cui vom Aufbau eines Granatapfels inspirieren.

Wie die Forscher in einer Pressemitteilung erklären, ordneten sie in ihrem Experiment aus Nanopartikeln bestehende Silizium-Anoden wie die Kerne eines Granatapfels an. Anoden, oder auch negative Elektroden, sind der Ort eines Akkus, wo die elektrische Energie bei der Ladung gespeichert wird. Das Interessante an Silizium-Anoden ist, dass sie zehn Mal mehr Energie speichern können, als die üblicherweise verwendeten Graphit-Anoden.

Acht Jahre Forschungsarbeit

Bislang bestand allerdings bei der Verwendung von Silizium-Anoden das Problem, dass das Silizium durch den Ladevorgang schnell brüchig wurde und so die Kapazität der Akkus rapide abnahm. Professor Yi Cui und sein Team wollen dieses Problem mit ihrem Versuchsaufbau gelöst haben. "Die Experimente haben gezeigt, dass unsere vom Granatapfel inspirierte Anode auch nach 1000 Lade- und Entladezyklen noch eine Kapazität von 97 Prozent aufweist", wird Cui in der Mitteilung zitiert. Für eine kommerzielle Anwendung etwa in Smartphones wäre dieser Wert vollkommen ausreichend.

Über die vergangenen acht Jahre arbeitete das Team des Professors an einer Lösung für das Problem der Brüchigkeit des Siliziums. Sie verwendeten Nanokabel und Nanaopartikel, die so klein sind, dass sie nicht in noch kleinere Teile zerbrechen können. Diese schlossen sie in dotterartige Karbonhülsen ein, die den Siliziumpartikeln Platz geben, während des Ladevorgangs an- und abzuschwellen.

Hürden für den kommerziellen Einsatz

Das aktuelle Experiment basierte demnach auf dieser Forschungsarbeit der letzten Jahre. Der Student Nian Liu und der promovierte Forscher Zhenda Lu nutzen eine Mikroemulsionstechnik, die für gewöhnlich in der Öl-, Farb- und Kosmetikindustrie eingesetzt wird, um die Karbonhülsen in Cluster zusammenzufassen. Die einzelnen Cluster überzogen sie dann mit einer zweiten, dickeren Karbonschicht. Die zweite Schicht hält die Cluster in der granatapfelartigen Anordnung zusammen. Dadurch entstehe ein stabiler Elektronenfluss, der zugleich unerwünschte Reaktionen zwischen dem Silizium und dem Elektrolyt des Akkus reduziere.

Bis Akkus auf diese Weise kommerziell produziert werden können, wird es allerdings noch etwas dauern. Die Forscher räumen ein, dass einerseits der Fertigungsprozess vereinfacht und andererseits eine geeignete Quelle für Silizium-Nanopartikel gefunden werden muss. Ein möglicher Kandidat wären Reishülsen. Sie eignen sich nicht für die menschliche Ernährung, würden aber zuhauf als Abfall bei der Reisproduktion anfallen. Reishülsen enthalten von Natur aus 20 Prozent Siliziumdioxid, welches relativ einfach in reine Silizium-Nanopartikel transformiert werden könnte, wie es in der Mitteilung weiter heisst.