Bessere Batterien dank Granatapfel-Design

Stanford (USA) - Im Obstkorb abgeschaut haben sich US-Forscher den Aufbau ihrer neuartigen Batterie-Elektroden: konstruiert nach dem Innenleben eines Granatapfels. Eine ähnlich grobkörnige Anordnung von umhüllten Nanopartikeln macht es jetzt erstmals möglich, auch Silizium als Rohstoff für Batterie-Elektroden einzusetzen. Das ist erwünscht, denn Lithium-Ionen-Akkus etwa können mit Silizium-Anoden zehnmal mehr Energie speichern als mit den heute typischen Graphit-Anoden. Leider wird Silizium beim Auf- und Entladen bisher schnell brüchig und die Batterie-Kapazität sinkt rasch. Mehrfaches Umhüllen wie beim Granatapfelkern hingegen hält Siliziumteilchen lange leistungsfähig, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Nanotechnology“. Sowohl in Elektroautos als auch in Smartphones und Tablets wäre diese neue Akku-Generation nutzbar. Bis zur Marktreife allerdings müssen sie den Produktionsprozess deutlich vereinfachen und den Materialpreis senken.

"Experimente haben gezeigt, dass unsere Granatapfel-inspirierte Anode selbst nach 1.000 Ladezyklen noch bei 97 Prozent Kapazität arbeitet", erklärt Yi Cui, Professor für Materialforschung an der Stanford University und dem benachbarten SLAC National Accelerator Laboratory. Diese Langlebigkeit macht die Anode auch kommerziell interessant, ganz abgesehen von der zehnfachen Kapazität. An der Anode, der negativen Elektrode einer Batterie, wird beim Ladevorgang die Energie gespeichert. Silizium kann dabei deutlich mehr aufnehmen als Graphit, allerdings leidet es dabei. Beim Aufladen dehnt sich das Material bis aufs Dreifache, zieht sich später wieder zusammen und wird spröde. Das lässt sich vermeiden, wenn man die Teilchen zu Nanopartikeln schrumpft, allerdings nehmen sie dann für Elektroden zu wenig Volumen ein. Und obendrein reagiert Silizium mit dem Elektrolyt, der leitfähigen Flüssigkeit der Batterie – die dabei entstehende Schmiere umhüllt die Anode und senkt ihre Leistungsfähigkeit noch weiter.

„Wir präsentieren eine hierarchisch aufgebaute Silizium-Anode, die alle drei Probleme löst“, schreiben die Forscher, „orientiert an der Struktur eines Granatapfels.“ In der Frucht sind die Kerne einzeln von Fruchtfleisch umhüllt und sitzen dann dicht aneinander in der Hüllschale. Analog dazu hatten Cui und Kollegen ihre Silizium-Nanopartikel bereits einzeln in leitfähige Kohlenstoffmäntel gepackt – dort ist genügend Platz zum Dehnen und Schrumpfen und die Teilchen sind so winzig, dass sie nicht weiter zerfallen. Jetzt gingen die Forscher noch einen Schritt weiter in Richtung Granatapfel-Design und fassten größere Gruppen ihrer „Kerne“ zusammen. Per Mikroemulsionstechnik aus der Farbenindustrie bildeten sie Cluster und umhüllten diese dann mit einer dickeren Kohlenstoffschicht. Sie hält nicht nur die Partikel zusammen und das Elektrolyt besser vom Silizium fern, sondern ist auch eine stabile Basis für den Stromfluss.

Für das Auge sind diese einzelnen Cluster nicht erkennbar, zu sehen ist nur ein feines schwarzes Pulver, berichten die Wissenschaftler. In üblicher Dicke auf eine Folie aufgebracht, entsteht damit die passende Anode für Lithium-Ionen-Akkus – Tests bewiesen, dass das Prinzip funktioniert. Die Prototypen erwiesen sich als leistungsfähig und langlebig. Auch für moderne Varianten wie Lithium-Schwefel- und sogenannte Lithium-Luft-Akkus soll sich die Anode eignen. Doch zwei Probleme bleiben vor dem kommerziellen Einsatz noch zu lösen: Zum einen muss der Herstellungsprozess vereinfacht und auf industrielle Maßstäbe angepasst werden. Zum anderen ist eine preiswertere Quelle für Silizium-Nanopartikel nötig. Doch auch dort hat Cuis Team schon eine Idee: Die harten Hüllschalen des Reiskorns enthalten hochwertiges Siliziumdioxid, fallen nach der Reisernte weltweit in enormen Mengen an und wurden bereits als Elektrodenrohmaterial für geeignet befunden.