Ein Durchbruch in der Akkutechnologie
Forscher der Rice University haben eine skalierbare Methode entwickelt, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien mithilfe von Vorlithiation (Lithium-Vorladung) zu verbessern. Dabei werden Silizium-Anoden mit stabilisierten Lithiummetallpartikeln beschichtet, was die Batterielebensdauer um bis zu 44% steigert.
Die Herausforderung bei Silizium-Anoden
Silizium-Anoden könnten die Energiespeicherlösungen revolutionieren und eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung von Klimazielen und der vollständigen Ausschöpfung der Möglichkeiten von Elektrofahrzeugen spielen. Doch der Verlust von Lithiumionen in Silizium-Anoden stellt eine bedeutende Herausforderung bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation dar.
Optimierte Vorlithiation
Das Forscherteam der Rice University unter der Leitung von Sibani Lisa Biswal hat eine skalierbare Methode entwickelt, um die Vorlithiation zu optimieren. Diese Methode trägt dazu bei, den Verlust von Lithium zu reduzieren und die Lebenszyklen der Batterien zu verbessern, indem die Silizium-Anoden mit stabilisierten Lithiummetallpartikeln (SLMPs) beschichtet werden.
Ergebnisse und Erkenntnisse
Die Forscher fanden heraus, dass das Besprühen der Anoden mit einer Mischung aus den Partikeln und einem Tensid die Batterielebensdauer um 22% bis 44% verbesserte. Eine größere Menge der Beschichtung führte zunächst zu einer höheren Stabilität und Lebensdauer der Batteriezellen. Allerdings wurde festgestellt, dass eine größere Menge der Beschichtung, wenn die Batterie mit voller Kapazität betrieben wurde, zu einer vermehrten “Lithiumeinsperrung” führte, was wiederum zu einem schnelleren Nachlassen der Batterie in den folgenden Zyklen führte.
Silizium statt Graphit
Der Ersatz von Graphit durch Silizium in Lithium-Ionen-Batterien würde die Energiedichte erheblich verbessern, da Silizium im Vergleich zu Kohlenstoff weniger Lithiumionen aufnehmen kann. Während für jedes einzelne Lithiumion sechs Kohlenstoffatome benötigt werden, reicht ein einziges Siliziumatom aus, um sich mit bis zu vier Lithiumionen zu verbinden.
Die Herausforderung mit der Solid-Electrolyte Interphase (SEI) Schicht
Silizium bildet jedoch eine Schicht, die als Solid-Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet wird und das Lithium kontinuierlich verbraucht. Die SEI-Schicht entsteht, wenn das Elektrolyt in einer Batteriezelle mit Elektronen und Lithiumionen reagiert und eine nanometerskalige Schicht aus Salzen auf der Anode ablagert. Sobald sich die Schicht bildet, isoliert sie das Elektrolyt von der Anode, was dazu führt, dass die Reaktion gestoppt wird. Die SEI-Schicht kann jedoch im Verlauf der folgenden Lade- und Entladezyklen brechen und sich wieder bilden, wodurch der Lithiumvorrat der Batterie weiter erschöpft wird.
Die Vorlithiation als Lösung
Die entwickelte Vorlithiationsmethode verbessert die Stabilität der SEI-Schicht, wodurch weniger Lithiumionen verbraucht werden, wenn sie entsteht. Sie kann als eine “Grundierung” für die Anoden betrachtet werden, um die Batterien eine viel stabilere und längere Lebensdauer zu ermöglichen.
Ein Blick in die Zukunft
Die Silizium-Anodentechnologie hat das Potenzial, die Energiespeicherung und Elektromobilität zu revolutionieren. Dank der Optimierung der Vorlithiation und der stetigen Forschung und Entwicklung könnten Batterien mit höherer Energiedichte und verbesserter Nachhaltigkeit in naher Zukunft Realität werden.
Dieser Durchbruch in der Akkutechnologie verspricht eine vielversprechende Zukunft für leistungsfähigere und langlebigere Batterien. Die Publikation finden sie hier
