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Dreidimensionales poröses Silicium verbessert Lithium-Ionen-Akkus

Jaephil Cho von der Hanyang University in Korea hat ein neues Anodenmaterial entwickelt, das mehr Lithium-Ionen speichern und damit die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Akkus steigern kann. Wie in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" berichtet, handelt es sich dabei um dreidimensionale hochporöse Siliciumstrukturen. Silicium ist zwar bereits als interessante Alternative zu Graphit bekannt, jedoch dehnt sich das Alternativmaterial bei der Aufladung stark aus und schrumpft bei der Entladung. Nach mehreren Zyklen sind die notwendigen dünnen Silicium-Schichten dann pulverisiert und lassen sich nicht mehr aufladen.

Das Team um Cho entwickelte nun eine Herstellungsmethode für ein poröses Silicium-Anodenmaterial, das nach Angaben der Forscher diesen Belastungen standhalten kann. Sie glühen Siliciumdioxid-Nanopartikel mit Silicium-Partikeln, deren äußerste Siliciumatome kurze Kohlenwasserstoffketten tragen, bei 900 °C unter Argonatmosphäre. Aus der entstandenen Masse werden die Siliciumdioxid-Partikel durch Ätzen herausgelöst. Übrig bleiben mit Kohlenstoff überzogene Siliciumkriställchen in Form einer durchgängigen dreidimensionalen hochporösen Struktur.

Anoden aus diesem hochporösen Silicium zeigen nach Angaben der Wissenschaftler eine hohe Ladungskapazität für Lithium-Ionen. Die Lithium-Ionen werden zudem rasch transportiert und eingelagert, so dass schnelle Lade- und Entlade-Prozesse möglich seien. Eine hohe spezifische Kapazität werde auch bei hohen Strömen erreicht. Die Volumenänderungen während der Lade- beziehungsweise Entlade-Vorgänge sollen nur ein geringes An- und Abschwellen der weniger als 70 nm dünnen Porenwände verursachen. Außerdem bilde sich während des ersten Ladezyklus eine amorphe (nichtkristalline) Siliciummasse um verbleibende Nanokriställchen in den Porenwänden. Die mechanische Beanspruchung der Porenwände mache sich im Material daher nicht mehr bemerkbar, auch nach 100 Lade- beziehungsweise Entlade-Zyklen nicht.
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