Wenn ein Lithium-Ionen-Akku zum Beispiel ein Mobiltelefon mit Energie versorgt, dann fließen Elektronen von der einen Seite des Akkus durch den Stromkreis des Gerätes zur anderen Seite. Diese Elektronen stammen von Lithium-Atomen, die sich im Inneren des Akkus in einer Elektrode befinden. Sie sind dort quasi eingelagert, zwischen Schichten aus Kohlenstoff in Form von Grafit. Nachdem diese Atome ihre Elektronen abgegeben haben, wandern sie innerhalb des Akkus als positiv geladene Ionen zur anderen Elektrode, und dort nehmen sie die Elektronen dann wieder auf.
Damit diese Prozesse in Zukunft noch effizienter ablaufen, tüfteln Chemiker in Forschung und Industrie mit großem Aufwand an der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Akkus. Eine der vielen Optionen, die derzeit erforscht werden, besteht darin, Silizium statt Grafit als Elektrodenmaterial zu verwenden. Damit befasst sich in ihrem Labor Maria-Magdalena Titirici. Sie stammt aus Rumänien und leitet eine Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam.
"In einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku ist die Kapazität, also die Menge an Energie, die gespeichert werden kann, vergleichsweise begrenzt. Denn man kann bei den Grafitschichten nur jeweils ein Lithium-Atom zwischen sechs Kohlenstoff-Atomen unterbringen. Wenn Sie hingegen Silizium nehmen, ist das anders: hier können sie bei einem Silizium-Atom vier Lithium-Atome speichern. Die Aufnahmekapazität erhöht sich so natürlich deutlich."
Doch die Speicherung von kleinen Lithium-Atomen im Silizium-Material ist nicht ganz unproblematisch. Immer wenn Forscher in der Vergangenheit versuchten, eine Grafitelektrode durch Silizium zu ersetzen, war die Freude nur von kurzer Dauer. Sobald die vielen kleinen Lithium-Atome hineinströmten, blähte sich das Silizium auf, und die Batterie ging kaputt.
Zur Lösung dieses Problems werden derzeit verschiedene Konzepte erprobt: Ein Team von der Universität Stanford in Kalifornien etwa fertigt Silizium-Elektroden aus Nanodrähten an, also winzigen Röhrchen, denen der Bläheffekt wenig anhaben kann. An der Universität Graz kombinieren Forscher ein Silizium-Gel mit Schichten aus Grafit, die dafür sorgen, dass das Volumen der Elektrode stabil bleibt.
Maria-Magdalena Titirici überzieht derweil winzige Kügelchen aus Silizium, 20 Nanometer im Durchmesser, mit einer dünnen Kohlenstoffschicht. Dazu schüttet sie die Silizium-Kügelchen in eine Art Dampfkochtopf, der mit verdünnter Glukose gefüllt ist.
Hydrothermale Karbonisierung heißt dieses neue Verfahren. Es kann Biomasse in Kohle verwandeln. Eine Methode übrigens, die es auch erlaubt, in großem Maßstab CO2 aus der Atmosphäre zu holen. Maria-Magdalena Titirici aber benutzt das Kochtopf-Verfahren für die Entwicklung neuer Materialien. Die Silizium-Kügelchen erhalten im Topf eine sehr dünne Kohleschicht. Diese leitet den elektrischen Strom und sorgt dafür, dass das Silizium sich nicht zu sehr ausdehnt, wenn die Lithium-Ionen eindringen.
"Es hat sich herausgestellt, dass dieses Material immer besser wird, je dünner die Kohleschicht ist. Diese muss dünn genug sein, dass die Lithium-Ionen durch sie hindurch dringen und sich in dem Silizium anlagern können."
Gemeinsam mit Kollegen vom Max Planck Institut für Festkörperforschung in Stuttgart hat Maria-Magdalena Titirici ihre Nano-Kügelchen in Kohleelektroden eines Akkus integriert. Die Messungen ergaben Rekordwerte für die Kapazität - also die Fähigkeit elektrische Ladung zu speichern.
"Beim ersten Ladezyklus messen wir eine extrem hohe Kapazität, etwa zehn mal mehr als bei einem gewöhnlichen Lithium-Ionen-Akku. Aber beim zweiten Ladezyklus reduziert sich dieser Wert. Warum das so ist, müssen wir noch herausfinden. Aber auch die verbleibende Kapazität ist sehr hoch, und sie bleibt dann sehr stabil, auch nach vielen weiteren Lade- und Entladezyklen. Insgesamt sind die Werte sehr vielversprechend für einen Lithium-Ionen-Akku."
Die nächste Generation von Akkus wird also sehr spezielle Elektroden beinhalten. Nanostrukturierte Materialien, die über eine große Oberfläche viele Lithium-Atome in sich aufnehmen und so dem Verbraucher mehr mobilen Strom zur Verfügung stellen: schnell und über lange Zeiträume.
Damit diese Prozesse in Zukunft noch effizienter ablaufen, tüfteln Chemiker in Forschung und Industrie mit großem Aufwand an der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Akkus. Eine der vielen Optionen, die derzeit erforscht werden, besteht darin, Silizium statt Grafit als Elektrodenmaterial zu verwenden. Damit befasst sich in ihrem Labor Maria-Magdalena Titirici. Sie stammt aus Rumänien und leitet eine Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam.
"In einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku ist die Kapazität, also die Menge an Energie, die gespeichert werden kann, vergleichsweise begrenzt. Denn man kann bei den Grafitschichten nur jeweils ein Lithium-Atom zwischen sechs Kohlenstoff-Atomen unterbringen. Wenn Sie hingegen Silizium nehmen, ist das anders: hier können sie bei einem Silizium-Atom vier Lithium-Atome speichern. Die Aufnahmekapazität erhöht sich so natürlich deutlich."
Doch die Speicherung von kleinen Lithium-Atomen im Silizium-Material ist nicht ganz unproblematisch. Immer wenn Forscher in der Vergangenheit versuchten, eine Grafitelektrode durch Silizium zu ersetzen, war die Freude nur von kurzer Dauer. Sobald die vielen kleinen Lithium-Atome hineinströmten, blähte sich das Silizium auf, und die Batterie ging kaputt.
Zur Lösung dieses Problems werden derzeit verschiedene Konzepte erprobt: Ein Team von der Universität Stanford in Kalifornien etwa fertigt Silizium-Elektroden aus Nanodrähten an, also winzigen Röhrchen, denen der Bläheffekt wenig anhaben kann. An der Universität Graz kombinieren Forscher ein Silizium-Gel mit Schichten aus Grafit, die dafür sorgen, dass das Volumen der Elektrode stabil bleibt.
Maria-Magdalena Titirici überzieht derweil winzige Kügelchen aus Silizium, 20 Nanometer im Durchmesser, mit einer dünnen Kohlenstoffschicht. Dazu schüttet sie die Silizium-Kügelchen in eine Art Dampfkochtopf, der mit verdünnter Glukose gefüllt ist.
Hydrothermale Karbonisierung heißt dieses neue Verfahren. Es kann Biomasse in Kohle verwandeln. Eine Methode übrigens, die es auch erlaubt, in großem Maßstab CO2 aus der Atmosphäre zu holen. Maria-Magdalena Titirici aber benutzt das Kochtopf-Verfahren für die Entwicklung neuer Materialien. Die Silizium-Kügelchen erhalten im Topf eine sehr dünne Kohleschicht. Diese leitet den elektrischen Strom und sorgt dafür, dass das Silizium sich nicht zu sehr ausdehnt, wenn die Lithium-Ionen eindringen.
"Es hat sich herausgestellt, dass dieses Material immer besser wird, je dünner die Kohleschicht ist. Diese muss dünn genug sein, dass die Lithium-Ionen durch sie hindurch dringen und sich in dem Silizium anlagern können."
Gemeinsam mit Kollegen vom Max Planck Institut für Festkörperforschung in Stuttgart hat Maria-Magdalena Titirici ihre Nano-Kügelchen in Kohleelektroden eines Akkus integriert. Die Messungen ergaben Rekordwerte für die Kapazität - also die Fähigkeit elektrische Ladung zu speichern.
"Beim ersten Ladezyklus messen wir eine extrem hohe Kapazität, etwa zehn mal mehr als bei einem gewöhnlichen Lithium-Ionen-Akku. Aber beim zweiten Ladezyklus reduziert sich dieser Wert. Warum das so ist, müssen wir noch herausfinden. Aber auch die verbleibende Kapazität ist sehr hoch, und sie bleibt dann sehr stabil, auch nach vielen weiteren Lade- und Entladezyklen. Insgesamt sind die Werte sehr vielversprechend für einen Lithium-Ionen-Akku."
Die nächste Generation von Akkus wird also sehr spezielle Elektroden beinhalten. Nanostrukturierte Materialien, die über eine große Oberfläche viele Lithium-Atome in sich aufnehmen und so dem Verbraucher mehr mobilen Strom zur Verfügung stellen: schnell und über lange Zeiträume.