IEDM 2008: Durchbruch für Lithium-Batterien

IEDM 2008: Durchbruch für Lithium-Batterien

Doch wie lassen sich die Nanodrähte herstellen? Glücklicherweise gibt es verschiedene Methoden, die Nanodrähte direkt auf dem Metall wachsen zu lassen. Die Gruppe um Candace K. Chan hat gezeigt, dass sich Nanodrähte aus Silizium und Germanium herstellen lassen, die sehr nahe an die theoretisch vorhergesagten spezifischen Kapazitäten kommen, im Falle von Si-Nanodrähten liegen sie um den Faktor 10 höher als die Kapazität einer Graphit-Anode. In Versuchen, in denen die Batterie über 20 Stunden ge- bzw. entladen wurde, lag die Verbesserung der spezifischen Kapazität gegenüber Grafit bei 800 bis über 900 Prozent. Sogar bei kürzeren Zyklen bis hinunter zu einer Stunde erreichte die Kapazitäten noch mehr als 2100 mAh/g, sechs mal so viel wie von Grafit.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass sich der Durchmesser der Nanodrähte unter dem Einfluss des Lithiums um 50 Prozent vergrößerte – ohne dass die Nanodrähte brachen oder sich in kleinere Partikel auflösten. Die Nanodrähte änderten während der Volumenausdehnung auch ihre Länge, so dass ihr Volumen insgesamt bis zu 300 Prozent zunahm.

Die neue Technik lässt sich sogar dazu verwenden, Batterien auf Chips zu integrieren. Die Ingenieure haben dazu einen CMOS-kompatiblen Fertigungsprozess entwickelt. Sie verwendeten das Langmuir-Blodgett-Verfahren, um SiO2-Nanopartikel auf einem Silizium-Wafer zu bilden und konnten einen 4-Zoll-Wafer mit diesen Partikeln bedecken, die als Ätzmaske für den nächsten Schritt, dem Reactive-Ion-Etching fungieren. Vertikale Nano-Säulen konnten auf diese Weise mit guter Kontrolle über Durchmesser und Abstände im Bereich von 50 bis 1000 nm hergestellt werden. Daraus fertigten die Forscher wiederum Anoden für Lithium-Batterien. Außerdem haben sie Kathoden aus LiMn2O4-Nanostäbchen aufgebaut, die gegenüber gewerblich erhältlichen Pulvern aus 10-µm-Prtikeln eine deutlich höhere spezifische Kapazität erreichte.

Stehen wir also vor einem Durchbruch? Bisher haben die Forscher ihre Tests über höchstens zehn Lade- und Entladezyklen durchgeführt. In der Praxis sind viel mehr Zyklen erforderlich. Endgültig lässt sich die Frage also zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht beantworten – Candace K. Chan blickt aber sehr optimistisch in die Zukunft, prinzipielle Schwierigkeiten sieht er nicht.

1. IEDM 2008: Durchbruch für Lithium-Batterien
2. IEDM 2008: Durchbruch für Lithium-Batterien