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HZB steigert Kapazität von Li-Ionen-Akkus um's Sechsfache

Halbzelle Silizium Lithium

Es klingt nach dem großen Durchbruch: Forschern des Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) ist es gelungen, die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus um das Sechsfache (!) zu steigern. Indem sie einfach die Anode auswechselten.

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Aktuelle Lithium-Akkus besitzen eine Anode aus Graphit. Das HZB ersetzte diese Graphit-Anode kurzerhand durch eine Silizium-Anode, womit die Kapazitätssteigerung auf relativ einfachen Wege schon erledigt ist. Noch gilt diese deutlich höhere Kapazität zwar rein theoretisch, den Forschern zufolge aber reicht schon eine extrem dünne Silizium-Schicht von gerade mal 20 Nanometern - das sind 0,00002 Millimeter.

Die Skizze des HZB verdeutlicht den Vorgang. Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten (gelb) in die Siliziumschicht (c-Si) ein. Durch die Beladung entsteht wieder die nur 20 Nanometer dünne Schicht (rot) der Silizium-Elektrode, die schließlich „extrem viele Lithium-Atome aufnimmt“.

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Sechsfache Kapazität: Silizium- statt Graphit-Anode

Sollte es die Idee in die Praxis schaffen, würde das Elektroautos zu deutlich mehr Reichweite verhelfen. Bei sechsfacher Kapazität würde beispielsweise der Nissan Leaf mit der neuen 30-kWh-Batterie (250 km laut NEFZ) 1.500 Kilometer weit kommen. Zumindest in der Theorie. Doch selbst die Hälfte wäre bereits ein Durchbruch in der bisher so oft bemängelten Reichweite von Elektroautos. Zumal künftige Akkus (mit gleicher Reichweite) kleiner und somit wieder platzsparender und günstiger produziert werden könnten.

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Im Gegensatz zur typischen Graphit-Anode kann eine Silizium-Anode jedenfalls mehr Lithium aufnehmen. Laut Berechnungen der HZB würden Silizium-Lithium-Batterien auf eine theoretisch maximale Kapazität von etwa 2.300 Milliamperestunden/Gramm kommen. Die aktuell gängigen Lithium-Ionen-Akkus mit Graphit schaffen lediglich 372 mAh/g. Die Frage nach der praktischen Umsetzung lassen die Berliner aber offen. Noch gilt es einige Probleme zu lösen. Beim Einwandern der Lithium-Ionen wird die Kristallstruktur des Siliziums zerstört, was natürlich nicht erwünscht ist.

Eine andere Idee wären Silizium-Luft-Akkus, die laut FZ Jülich die Reichweite von E-Autos um das Fünffache steigern würden.

Bild/Skizze: Helmholtz Zentrum Berlin - Quelle: helmholtz-berlin.de


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