Materialforschung: Innovative Batterie inspiriert vom Granatapfel

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silizium-solarbatterie-granatapfelEs ist schon etwas ungewöhnlich, aber US-Forscher haben sich bei der Entwicklung neuer Batterie-Elektroden vom Naturprodukt Granatapfel inspirieren lassen. Wegen dieser ähnlichen Innenstruktur können moderne Akkus das Zehnfache an Energie speichern. Eine grobkörnige Anordnung von umhüllten Nanopartikeln macht es möglich, dass auch Silizium als Rohstoff für Batterie-Elektroden eingesetzt werden kann. Dieser Effekt ist wünschenswert, weil Lithium-Ionen-Akkus mit Silizium-Anoden zehnmal mehr Energie speichern können als mit den heute üblichen Graphit-Anoden.

Das Umhüllen von Siliziumteilchen macht diese widerstandsfähiger

Beim Auf- und Entladen hat Silizium den Nachteil, dass es schnell brüchig wird und hierdurch die Batteriekapazität rasch sinkt. Durch ein mehrfaches Umhüllen, wie bei einem Granatapfelkern, bleiben die Teilchen stabiler und leistungsfähiger. Dies berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Nanotechnology“. Diese neue leistungsfähige Akkugeneration wäre die ideale Lösung für Elektroautos, aber auch in Smartphones und Tablets. Jedoch wird es noch einige Zeit dauern, bis die Marktreife erreicht ist, der Produktionsprozess deutlich vereinfacht werden und auch der Preis gesenkt werden kann.

Auch nach 1.000 Ladezyklen 97% Kapazität

Experimente mit der so genannten Granatapfel-Anode haben gezeigt, dass selbst nach 1.000 Ladezyklen immer noch eine Kapazität von nahezu 97% erreicht wird. Durch diese Langlebigkeit wird die Anode kommerziell besonders interessant, natürlich auch wegen der zehnfachen Kapazität. Die Anode ist übrigens die negative Elektrode einer Batterie, bei der durch einen Ladevorgang die Energie gespeichert wird.

Silizium ist besonders leistungsfähig, aber auch empfindlich

Bekanntermaßen kann Silizium wesentlich mehr Energie aufnehmen als Graphit. Beim Aufladen dehnt sich Silizium jedoch bis auf das Dreifache aus. Danach zieht es sich wieder zusammen und wird durch diesen Vorgang spröde. Die Lösung besteht darin, die einzelnen Teilchen zu Nanopartikeln zu schrumpfen. Hierdurch erreichen sie jedoch nicht das benötigte Volumen für die Elektroden. Ein weiteres Manko ist die leitfähige Flüssigkeit der Batterie, dass Elektrolyt, welches zusätzlich die Leistungsfähigkeit von Silizium senken kann. Wird die Batterie jedoch wie ein Granatapfel aufgebaut, können diese Nachteile beseitigt werden.

Eine hierarchisch aufgebaute Silizium-Anode löst alle Probleme

In der Frucht eines Granatapfels sind die Kerne einzeln vom Fruchtfleisch umhüllt und sitzen zudem dicht aneinander in der Schale. Analog hierzu haben die Forscher Silizium-Nanopartikel in leitfähige Kohlenstoffmäntel gepackt, in denen sie genug Platz zum Dehnen und Schrumpfen haben. Darüber hinaus sind die Forscher noch einen Schritt weiter gegangen und haben größere Gruppen ihrer so genannten Kerne zusammengefasst. Mithilfe der Mikroemulsionstechnik aus der Farbenindustrie werden Cluster gebildet, die wiederum von einer dickeren Kohlenstoffschicht umhüllt sind. Hierdurch werden die einzelnen Artikel nicht nur optimal zusammengehalten und vom Elektrolyt geschützt, sondern auch der Stromfluss wesentlich verbessert.

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Mit dem Auge ist diese Struktur nicht zu erkennen

Mit dem bloßen Auge sind diese einzelnen Cluster nicht zu erkennen. Stattdessen sehen die Forscher lediglich ein schwarzes Pulver. Dieses wird auf eine Folie aufgebracht, so dass hieraus die passende Anode für Lithium-Ionen-Akkus entsteht. Darüber hinaus soll diese Variante auch für Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Akkus geeignet sein. Nach wie vor gestaltet sich der Herstellungsprozess als schwierig und kostspielig. Die harten Schalen eines Reiskorns enthalten jedoch hochwertiges Siliziumdioxid. Dieses fällt insbesondere nach einer Reisernte in großen Mengen als Abfallprodukt ab. So kann dieses als Elektrodenrohmaterial durchaus genutzt werden.

Bildquelle: © Rainer Sturm / pixelio – www.pixelio.de


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