Neue Messmethode der TU Wien Kapazitätssteigerung von Li-Ionen-Akkus

Eine neue Messmethode der TU Wien verspricht eine höhere Kapazität von Li-Io-Akkus.
Eine neue Messmethode der TU Wien verspricht eine höhere Kapazität von Li-Io-Akkus.

Li-Ionen-Akkus sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Ihre Leistungsfähigkeit ist hoch, kann jedoch noch verbessert werden. Forschern der TU Wien ist das gelungen – aber wie?

Lithium-Ionen (Li-Ionen)-Akkus stecken in Smartphones, Laptops und Elektroautos. Doch die Möglichkeiten der Energiespeicher sind längst nicht ausgereizt. Eine Idee, um die Kapazität der Akkus zu erhöhen: Graphit durch Silizium ersetzen. Allerdings ist dafür eine sehr dünne Grenzschicht um die Elektrode zu analysieren und zu optimieren, dafür gibt es momentan keine passende Untersuchungsmethode.

Forscher der TU Wien und der Universität Hasselt in Belgien haben eine Technik entwickelt, mit der sich die Eigenschaften der Schichten genau messen lassen. Das Ganze funktioniert folgendermaßen: Ein Kraftmikroskop übt eine genau definierte Kraft aus, gleichzeitig wird mit Hilfe von Lichtwellen exakt registriert, wie sehr sich das Material infolgedessen verformt. Mithilfe des Mikroskops ist es möglich, nach passenden Elektrolyten zu suchen, mit denen die Kapazität von Li-Ionen-Akkus bis zu einem Faktor von sechs verbessert werden kann.

Auf die Anzahl der Ionen kommt es an

In einem vollgeladenen Li-Ionen-Akku werden die Lithium-Ionen derzeit in Graphit gespeichert um dort Elektronen zu stabilisieren. Während der Akku aufgeladen wird, wandern mehr und mehr Ionen und Elektronen in das Graphit und speichern elektrische Energie. Im Graphit bilden jeweils sechs Kohlenstoff-Atome einen Ring, in dessen Mitte ein Elektron und ein Lithium-Ion festgehalten werden kann. Jedoch wären kleine Silizium-Kristalle besser geeignet, sagt Markus Valtiner von der TU Wien. »Pro Silizium-Atom könnte man ein Lithium-Ion speichern, damit ließe sich die Speicherkapazität theoretisch auf das Sechsfache steigern«.

Das Problem: Im Gegensatz zu Graphit sind Silizium-Körnchen in einer Batterie bei der Lithiumaufnahme bis zu viermal größer und können dabei einfach zerbröseln. Eine Möglichkeit ist, das Silizium nicht vollständig zu laden, eine andere, stabilere Partikel herzustellen. Allerdings sind die Elektroden-Körnchen in der Batterie zusätzlich mit einer nanometerdünnen Schicht umhüllt.

In einem Li-Ionen-Akku sind die Materialien in ständigem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyt, in dem beim Lade- und beim Entladevorgang komplexe chemische Abbaureaktionen ablaufen. So bildet sich an der Oberfläche der Elektroden ein dünner Film aus ionenleitfähigen Abbauprodukten. Auf Graphit ist die Schicht nach wenigen Ladezyklen stabil und wächst nicht mehr weiter. Bei Silizium reißt die dünne Grenzschicht jedoch immer wieder auf, an den Rissen bildet sich eine neue Schicht. Bei jedem Ladezyklus verbraucht das ein wenig des Elektrolyts, das führt zu einer kurzen Lebensdauer des Akkus.

Neue Messmethode führt zum Erfolg

»Optimal wäre eine elastische Grenzschicht, die keine Risse bekommt, wenn das Silizium-Körnchen wächst«, sagt Markus Valtiner. Dazu ist die Entwicklung spezieller Elektrolyte nötig, die die Schicht elastisch machen. An der TU Wien wurde das passende Messgerät dafür entwickelt. In einem speziellen Rasterkraftmikroskop können die Wissenschaftler die elastischen Eigenschaften der Grenzschicht genau analysieren – insbesondere während des Auf- und Entladens. Eine spezielle Konstruktion erlaubt es, das Wachstum und die Elastizität der Grenzschicht auf einer sehr kleinen Größenskala zu vermessen, während eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Mit der Konstruktion will das Team von Markus Valtiner unterschiedliche Material-Varianten untersuchen und passende Elektrolyten für Silizium-basierte Lithium-Ionen-Akkus finden.

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 zu erreichen sind. Die Markteinführung der neuen Technologie ist in den nächsten drei bis fünf Jahren zu erwarten.