Wissenschafter haben einen entscheidenden Fortschritte bei der Effizienzsteigerung von Batterien und Akkus erzielt. Die Forscher des produzieren Nanomaterialien, die den Energie-Inhalt von Lithium- Ionen- Batterien um 15 Prozent erhöhen und die Kosten dafür gleichzeitig um sieben Prozent senken.
Für ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen müssen Batterien vor allem leicht sein und schnell viel Energie liefern. Deshalb stehen Batterien mit maximaler Leistung, häufigen Lade- und Entladezyklen sowie geringem Preis im Fokus der Forschung. Die besten Aussichten für deren Produktion bieten winzigste Partikel. Die Wissenschaftler forschten daher an nanoskaligem Silizium- Kohlenstoff- Kompositmaterial für die Elektroden von Lithium- Ionen- Batterien.
Lange Zeit fehlte es schlicht an ausreichenden Mengen von Nano-Material, um neue Technologien zu testen oder gar zu produzieren. Doch seit 2009 ist eine Anlage zur Herstellung kleinster Partikel mit definierten Eigenschaften im Kilogramm-Maßstab vorhanden. So entstehen hier auch nanoskalige Siliziumpartikel, die die Forscher für die Weiterentwicklung der Lithium- Ionen- Batterie verwenden: Eingebettet in eine Matrix aus Kohlenstoff verbessern die winzigen Silizium-Partikel in den Elektroden Speicherdichte und Leistung der Batterien.
Die Forschung an Lithium- Ionen- Batterien konzentriert sich derzeit darauf, die Kapazität dieser Speicher zu steigern, um längere Laufzeiten zu ermöglichen. Bisher dienen Graphit- Elektroden als die oben beschriebenen Speicher für Lithium- Atome. Eine aussichtsreiche Alternative stellt Silizium dar, das bei gleichem Volumen deutlich mehr Lithium aufnehmen kann. Das Problem ist jedoch die damit zusammenhängende Volumenveränderung: Speichert eine Graphitelektrode Lithium, vergrößert sie sich um neun Prozent, im Fall einer Siliziumelektrode sind es 300 Prozent.
Das Einlagern des Lithiums führt daher zu mechanischen Schäden an der Siliziummatrix, die auf Dauer zu einer Kapazitätsverringerung führen. Hier kommt nun der Vorteil des nanoskaligen Siliziums zum Tragen: Es ist aufgrund seiner geringen Größe und der Porosität der zusammenhängenden Partikel deutlich stabiler als sein makroskopisches Pendant. Ein Kompositmaterial aus Siliziumpartikeln, eingebettet in eine Matrix aus Kohlenstoff, kann daher Eigenschaften wie gute Leitfähigkeit, hohe Speicherdichte und Stabilität vereinen.