Technische Universität Wien Elastische Grenzschicht für bessere Lithium-Ionen-Akkus

Prof. Markus Valtiner, Institut für Angewandte Physik der TU Wien
Prof. Markus Valtiner, Institut für Angewandte Physik der TU Wien

Ein vielversprechender Weg, die Speicherkapazität von Li-Ion-Akkus zu vergrößern, ist der Einsatz Silizium als Elektrodenmaterial. Eine der Herausforderungen dabei: die Grenzschicht zwischen Silizium und Elektrolyt. Nun haben Forscher der TU Wien eine passende Untersuchungsmethode dafür vorgestellt.

»Der Lithium-Ionen-Akku ist eine Erfolgsgeschichte«, stellt Prof. Markus Valtiner vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien fest. »Aber egal wie gut er ist, man wünscht sich immer einen noch besseren. Um der Elektromobilität zum Durchbruch zu verhelfen, wollen wir natürlich das theoretische Maximum erreichen.«

n einem voll aufgeladenen Li-Ion-Akku werden die Lithiumionen derzeit in Graphit gespeichert, um dort Elektronen zu stabilisieren. Während der Akku aufgeladen wird, wandern mehr und mehr Lithium-Ionen und Elektronen in den Graphit und speichern so die elektrische Energie.

Im Graphit bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion festgehalten werden kann. Aber das ist nicht die effizienteste Art, Elektronen durch Lithiumionen zu stabilisieren. »Kleine Siliziumkristalle wären eigentlich besser geeignet«, so Valtiner. »Pro Siliziumatom könnte man jeweils ein Lithiumion speichern und so die Speicherkapazität theoretisch versechsfachen.«

Eine Steigerung der Batteriekapazitäten um das Doppelte hält Markus Valtiner für realistisch. Erste Ergebnisse zeigen schon heute, dass mit siliziumbasierten Akkus um 15 bis 50 Prozent höhere Speicherdichten erreicht werden können, und erste Markeinführungen dieser Technologie sind in den nächsten drei bis fünf Jahren zu erwarten.

Silizium zerbröselt

Das Problem bislang: Im Gegensatz zu Graphit werden Siliziumkörnchen in einer Batterie bei der Aufnahme von Lithium bis zu viermal größer und können dabei einfach zerbröseln. Man könnte sich damit helfen, das Silizium nicht vollständig zu laden, oder durch ausgeklügelte Nanostrukturen stabilere Partikel herzustellen – wenn man dabei nicht noch auf eine weitere Schwierigkeit stoßen würde: Die Elektrodenkörnchen im Akku sind mit einer nanometerdünnen Schicht umhüllt.

In einem Lithium-Ionen-Akku sind die Materialien in ständigem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten, in dem beim Lade- und beim Entladevorgang komplexe chemische Abbaureaktionen ablaufen. Und so bildet sich an der Oberfläche der Elektroden immer ein dünner Film aus ionenleitfähigen Abbauprodukten.

Auf Graphit ist diese Schicht – ähnlich einer Passivierungsschicht auf Edelstahl – nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter. Siliziumkörnchen jedoch vergrößern ihr Volumen drastisch, sodass diese dünne Grenzschicht immer wieder aufreißt. An den Rissen bildet sich jeweils eine neue Schicht. Damit wird bei jedem Ladezyklus ein bisschen Elektrolyt aufgebraucht, was die Zyklenfestigkeit des Akkus stark vermindert.

Elektrolyte für elastische Grenzschichten

»Optimal wäre eine elastische Grenzschicht, die keine Risse bekommt, wenn das Siliziumkörnchen wächst«, meint Markus Valtiner. Erreichen könnte man das durch die Entwicklung spezieller Elektrolyte, die diese Schicht elastisch machen – und dafür wurde an der TU Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Hasselt in Belgien nun das passende Messgerät entwickelt. In einem speziellen Rasterkraftmikroskop kann man nun die elastischen Eigenschaften der Grenzschicht in situ genau analysieren – insbesondere während des Auf- und Entladens.

Durch die spezielle Konstruktion lassen sich Wachstum und Elastizität der Grenzschicht auf winziger Größenskala vermessen, während eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Damit will das Team von Markus Valtiner nun in Zusammenarbeit mit Frank Renner aus Hasselt (Belgien) unterschiedliche Materialvarianten untersuchen und passende Elektrolyten für Silizium-basierte Lithium-Ionen-Akkus finden.

Originalpublikation

B. Moeremans et al., In Situ Mechanical Analysis of the Nanoscopic Solid Electrolyte Interphase on Anodes of Li-Ion Batteries, Advanced Science 6, 1900190 (2019). https://doi.org/10.1002/advs.201900190