IEDM 2008: Durchbruch für Lithium-Batterien

Die IEDM ist immer wieder für Überraschungen gut. Auf Fortschritte in der herkömmlichen IC-Technik waren alle gefasst. Einer der interessantesten Vorträge beschäftigte sich allerdings mit Batterien. Stehen wir vor einem Durchbruch?

Die Kapazität von Batterien auf einen Schlag zu verdoppeln – das verspricht eine neue Technik, die an der Standford-Universität entwickelt wurde und auf der IEDM, die kurz vor Weihnachten in San Francisco stattfand, vorgestellt wurde. Könnten die bisherigen Ergebnisse der Forschung in Produkte umgesetzt werden – und dafür spricht einiges –, wäre das der größte Durchbruch in der Batterietechnik seit vielen Jahren. »Wir sind überzeugt, dass Batterieelektroden aus Nanodrähten die Energieversorgung von elektronischen Geräten der nächsten Generation deutlich verbessern werden«, erklärte Candace K. Chan von der Standford University in seinem Vortrag auf der IEDM eher vorsichtig. Doch in der neuen Technik steckt enormes Potenzial. 

Dreh- und Angelpunkt der sind Nanodrähte: Erstens leiten sie Elektronen sehr gut in Längsrichtung, zweitens sind sie flexibel. Außerdem können sie aus Silizium und Germanium hergestellt werden. Beide Materialien erreichen mit 4200 mAh/g bzw. 1600 mAh/g eine deutlich höhere spezifische Leistungsdichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, mit 379 mAh/g  für die Graphit-Anode und 170 mAh/g für die LiCoO2-Kathode.

Allerdings bringen die herkömmlichen Materialien mit hoher Energiedichte ein gravierendes Problem mit, weil die Lade- und Entladezyklen mit einer starken Änderungen der Materialstruktur und des Volumens einhergehen. Herkömmliche Materialien brechen unter den dadurch entstehenden mechanischen Spannungen oder werden gar pulverisiert. Dadurch verlieren die Elektronoden den elektrischen Kontakt. Niedrige Lebensdauern sind die Folge. Diese Probleme treten auch auf, wenn statt eines homogenen Ausgangsmaterials Mikropartikel verwendet werden. Zudem muss der Strom die Partikelgrenzen überwinden, die Leitfähigkeit wird schlechter.

Nanodrähte hingegen sind sehr dünn und biegsam. Deshalb brechen sie trotz größerer Volumenänderungen nicht. Außerdem leiten sie Elektronen sehr gut in eine Richtung. Daher die Idee der Ingenieure um Candace K. Chan von der Standford University: Statt eine Zone aus homogenem Material oder kleineren Partikeln abzuscheiden, lassen sie einen Wald von Nanodrähten auf den Kollektoren wachsen. Die flexiblen Nanodrähte brechen während der Lade- und Entladezyklen nicht und weisen ein gleich bleibend gutes Leitverhalten auf. Bindematerialien und leitfähige Zusätze sind hier nicht erforderlich.