Batterieforschung »tum« statt Graphit

Die dreidimensionale Struktur des Lithium-Borsilicids. In den Tunneln können Lithium-Atome (rot) ein- und ausgelagert werden.
Die dreidimensionale Struktur des Lithium-Borsilicids. In den Tunneln können Lithium-Atome (rot) ein- und ausgelagert werden.

Forscher der TU München haben ein ganz neues Material entwickelt, das sich als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus eignet und deren Energiedichte erhöhen könnte. Bei der Namensgebung für das neue Material haben sich die Forscher an ihrer Universität orientiert.

Viel wird derzeit versucht, um die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus zu steigern. Die wichtigsten Ansatzpunkte sind die Materialien der Kathode und der Anode, bei denen es noch einiges Verbesserungspotential gibt.

So besteht die Anode eines aktuellen Lithium-Ionen-Akkus aus Graphit mit einer spezifischen Kapazität von rund 320 mAh/g. Deutlich höhere Kapazitäten ließen sich mit Anoden aus Kohlenstoff, Silizium oder Lithium erzielen, allerdings bringen all diese Stoffe ein paar Probleme mit sich.

Silizium beispielsweise dehnt sich bei Lade-/Entladevorgängen aus bzw. zieht sich dann wieder zusammen. Diese mechanische Belastung hält eine so eine Silizium-Anode natürlich nicht lange durch, was ihre Lebensdauer entscheidend verringert. Doch Silizium ist trotzdem interessant, da es 10 mal so viele Lithium-Atome aufnehmen kann wie Graphit. Das bedeutet, dass die spezifische Kapazität von Silizium bei über 3.000 mAh/g liegen kann.

An der TU München haben Wissenschaftler um Prof. Dr. Thomas Fässler, Professor am Lehrstuhl für Anorganische Chemie, jetzt ein ganz neues Material entwickelt. Dazu haben sie Silizium und Bor vermischt und bei 900 °C und 100.000 Atmosphären Druck das Material Lithium-Borsilicid (LiBSi2) hergestellt. Ähnlich wie ein Diamant hat das Material eine dreidimensionale Kristallstruktur und ist extrem hart. Im Gegensatz zu einem Diamanten bildet das Material allerdings noch Kanäle aus, in die Lithium-Atome ein- und wieder ausgelagert werden können. Damit ist eine Verwendung als Anode in einem Lithium-Ionen-Akku denkbar. Diese Anode hätte fast die gleiche Kapazität wie eine aus reinem Silizium, wäre allerdings deutlich stabiler.

Eine zehnfache Kapazität der Anode heißt allerdings lange nicht, dass der Akku zehn mal mehr Energie speichern kann. Schließlich gibt es ja noch die Kathode, den Elektrolyten und viele andere Materialien, die zur Energiedichte beitragen. Durch eine Verbesserung der Anode lassen sich maximal 25 Prozent mehr Energie in einem Akku speichern, was aber auch ein riesiger Fortschritt wäre.

Sollte sich das neue Material als geeignet für den Einsatz im Akku erweisen, könnte die TU München weltbekannt werden. Da es das Material nämlich noch nicht gab, durften ihm die Wissenschaftler einen Namen geben. In Anlehnung an ihre Universität entschieden sie sich für »tum«.

Die Synthese des Materials wurde im Hochdrucklabor der Arizona State University durchgeführt. Weitere Projektpartner war die Uni Augsburg und die Uni Stockholm.