Intensiv suchen Akkuforscher nach Wegen, um mehr Strom in Lithium-Ionen-Batterien zu speichern. Eine bis zu sechsfach höhere Kapazität versprechen Anoden aus Silizium anstatt aus dem bisher genutzten Graphit. Allerdings dehnt sich das kristalline Anodenmaterial bei der Aufnahme von Lithiumionen bis auf das dreifache Volumen aus und kann den Stromspeicher durch das zyklische Aufblähen und Schrumpfen rasch zerstören. Koreanische Wissenschaftler fanden nun eine Lösung für dieses Problem in Polyrotaxan-Molekülen, die wegen ihrer rollenartigen Strukturanteile auch für molekulare Motoren genutzt werden.
Abb.: Lithium-Ionen-Akkus mit Siliziumanoden: Polyrotaxan-Moleküle erhöhen die Elastizität und damit die Lebensdauer der Anoden. (Bild: S. Choi et al., KAIST)
„Die Ergänzung von einer mechanischen Bindung mit Polyrotaxenen hält pulverisierte Partikel zusammen“, schreiben Ali Coskun und seine Kollegen vom Institute for NanoCentury am Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon. Für erste Prototypen ihrer Lithium-Ionen-Akkus fertigten sie Anoden aus Silizium-Mikropartikeln und verbanden dieses Material mit einem Polymer auf der Basis von Polyacrylsäure. Zu diesem Polymer fügten sie fünf Gewichtsprozent Polyrotaxane hinzu, mit denen sich über die rutschende Bewegung von molekularen Ringstrukturen die Elastizität des Hydrogel-artigen Anodenmaterials deutlich erhöhen konnte.
Beim zyklischen Laden und Entladen des Stromspeichers dehnte sich wie erwartet die Siliziumanode auf das drei- bis vierfache Volumen aus und schrumpfte wieder. Zwischen den Siliziumpartikeln entstehende Risse konnten sich dabei über die Bewegung der ringförmigen Polyrotaxan-Strukturen wiederholt schließen. Die Coulomb-Effizienz des Akkus blieb auch nach 150 Ladezyklen zu mehr als 99 Prozent erhalten. Selbst nach knapp 400 Ladezyklen sank die Kapazität nicht unter 85 Prozent des ursprünglichen Wertes. Mit Mikroskopaufnahmen bestätigten die Forscher den effizienten zyklischen Heilungsprozess des Anodenmaterials.
Verantwortlich für diese große Stabilität der Siliziumanoden waren die Ringstrukturen, die sich in den Polyrotaxan-Molekülen entlang eines Polymerstrangs frei bewegen konnten. Dabei bauten sich mechanische Bindungen auf, für dessen Entdeckung Jean-Pierre Sauvage, Sir Fraser Stoddart und Bernard Feringa im vergangenen Jahr den Chemie-Nobelpreis erhalten haben. „Die geniale Nutzung der mechanischen Bindungen in Polyrotaxanen von Ali Coskun und Kollegen markiert einen Durchbruch beim Verhalten von Lithium-Ionen-Batterien“, sagt Sir Fraser Stoddart von der Northwestern University.
Bis nun Stromspeicher auf den Markt kommen, die die Reichweite von Elektromobilen prinzipiell vervielfachen könnten, wird allerdings noch einige Zeit vergehen. Die bisher konzipierten Akkus mit hochelastischen Siliziumanoden müssen zuvor noch weiter optimiert werden, um auch nach tausenden Ladezyklen eine möglichst hohe Speicherkapzität erhalten zu können. Dieses Ziel könnte nun in Zusammenarbeit mit einem kommerziellen Akkuhersteller angepeilt werden.
Doch die koreanische Arbeitsgruppe ist nicht die einzige, die die zerstörerische Ausdehnung von Siliziumanoden in den Griff bekommen möchte. Chinesische Wissenschaftler von der Shangdong-Universität haben vor etwa einem Jahr eine amorphe Form von Silizium entwickelt, die dank ihres porösen Aufbaus bei der Aufnahme von Lithiumionen keine nennenswerte Volumenvergrößerung zeigte. Ihre Prototypen wiesen im Vergleich zu Akkus mit Graphitanoden eine etwa dreifach erhöhte Ladungskapazität auf. Yi Cui und seine Kollegen von der Stanford University griffen zu Siliziumpartikeln mit nur wenigen Mikrometern Durchmesser. Diese umhüllten sie einer Kohlenstoffschicht, um die Stabilität zu erhöhen. Ihre Labormuster wiesen nach 100 Ladezyklen immerhin noch 90 Prozent der ursprünglichen Kapazität auf.
Welche Ansätze zur Stabilisierung von Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Akkus sich schließlich in einer kommenden Serienfertigung durchsetzen werden, lässt sich heute noch nicht absehen. Neben einer hohen Zyklenfestigkeit werden die Kosten der noch zu entwickelnden Verfahren für die Massenproduktion eine zentrale Rolle spielen. Doch ist es nicht unwahrscheinlich, dass dieser Typ von Lithium-Ionen-Akkus zu einer drastischen Erhöhung der Speicherkapazitäten führen wird. Und parallel gilt es zudem, den Wettlauf gegen weitere Akku-Konzepte wie etwa von Lithium-Luft-Batterien für sich zu entscheiden.
Jan Oliver Löfken
DE![](http://vg04.met.vgwort.de/na/35a554efe62a4ed7a8478d9f7f215151)