Spezielle Polymerbeschichtung bei Akkus verhindert schnellen Siliziumzerfall

Akku-Prototyp: hält entscheidend länger (Foto: slac.stanford.edu/Brad Plummer)

Forscher der Universität Stanford und dem daran angeschlossenen SLAC National Accelerator Laboratory haben die erste selbstheilende Elektrode für Lithium-Ionen-Akkus entwickelt. Eine flexible Polymerbeschichtung dient dabei dazu, den unvermeidlichen Verfall einer Siliziumelektrode deutlich zu bremsen. Zhenan Bao, Professorin für Verfahrenstechnik in Stanford, hat festgestellt, dass Siliziumelektroden zehn Mal länger halten, wenn sie mit dem selbstheilenden Polymer beschichtet sind. Die Entwicklung könnte für Geräte von Smartphones bis hin zu Elektroautos interessant sein.

Selbstheilung ist sehr wichtig für das Überleben und lange Lebensdauern bei Tieren und Planzen, so Stanford-Postdoc Chao Wang. Eben dieses Prinzip wollte man für die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus umsetzen. Denn bei solchen Batterien gelten Elektroden – speziell Anoden – aus Silizium als guter Ansatz für hohe Kapazitäten, doch ist ihre Lebensdauer ein Problem. Denn Siliziumelektroden schwellen beim Aufladen stark an und werden beim Entladen wieder kleiner, wodurch sie relativ schnell brüchig werden. Durch den Zerfall der Elektrode verliert ein Akku entsprechend schnell Kapazität.

Eben hier setzt die neue Beschichtung an – ein selbstheilendes Polymer, das für diese Anwendung mit Kohlenstoffnanoteilchen versetzt ist, damit es Strom leitet. Wie das Team in Nature Chemistry berichtet, macht sie Anoden aus relativ günstigen Siliziummikropartikeln deutlich langlebiger. Denn die flexible Beschichtung schließt effektiv kleine Risse, die in der Elektrode entstehen. Ein Akku-Prototyp hat so 100 Ladezyklen ohne nennenswerten Kapazitätsverlust überstanden. Das ist noch weit vom Ziel der 500 Zyklen für Smartphones und 3000 Zyklen für Autos entfernt. Doch die bisherigen Ergebnisse seien vielversprechend.

Denn wenngleich unter anderem ein Team um Cui schon seit längerem an Methoden arbeitet, Siliziumelektroden langlebiger zu machen, erfordern diese oft exotische Materialien oder Herstellungsverfahren, die nur schwer in großem Maßstab umzusetzen sind. Die neue selbstheilende Elektrode ist Cui zufolge daher der erste Ansatz, der wirklich praktikabel erscheint. Um ihn wirtschaftlich möglichst attraktiv zu machen, will das Team nun Performance und Lebensdauer der selbstheilenden Siliziumanode weiter steigern. Zudem gehen die Forscher davon aus, dass der Ansatz auch für andere Elektrodenmaterialien geeignet ist.

www.slac.stanford.edu