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Dank Graphen-Käfigen: Akkus sollen bald 10-fache Kapazität aufweisen

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SLACEs ist ein Versprechen, welches schon vielfach gegeben wurde. Die Akkutechnik hat sich seit Jahren nur in einigen Details verbessert. Sie lassen sich schneller laden, geben ihre Ladung ebenso schnell wieder ab und besitzen keinen Memoryeffekt mehr – grundlegende Sprünge bei der Kapazität hat es aber schon länger nicht gegeben.

Nun hat ein Forschungsteam der Stanford University und des Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory eine Methode entwickelt, welche Silizium-Lithium-Ionen-Anoden in Akkus möglich machen soll. Mit diesen Anoden sind Akkus denkbar, die über eine um den Faktor zehn höhere Kapazität verfügen. Natürlich sind auf gleichem Wege auch Akkus mit gleicher Kapazität zu aktuellen Modellen denkbar, die dann kleiner und leichter sind.

Fertigung eines Graphen-Käfigs
Fertigung eines Graphen-Käfigs

Das Forschungsteam macht sich den Umstand zunutze, dass sich Silizium in einer solchen Anode beim Ladevorgang um den Faktor drei aufbläht, dann Risse bekommt und schlussendlich aufplatzt. Zudem reagiert es mit dem Elektrolyt und bildet eine Beschichtung, welche die Leistung theoretisch sogar verringert. Um dem entgegenzuwirken, steckt das Forschungsteam eine Silizium-Anode in einen passgenauen Käfig aus Graphen.

Der Graphen-Käfig darf dabei nur genau so groß sein, dass er aus Aufblähen des Siliziums ermöglicht, aber noch alle Partikel zusammenhält, wenn es aufplatzt. Die Käfige weisen dabei auch eine gewisse Flexibilität auf und können sich leicht dehnen und zusammenziehen. Zudem schützt das Graphen die Anode vor Reaktionen mit dem Elektrolyt. Das Verfahren lässt sich aber auch auf andere Kombinationen aus Anode und Kathode anwenden. Um den mikroskopischen Käfig passgenau zu fertigen, wird das Siliziumpartikel zunächst mit einer Nickelschicht überzogen. Auf Nickelschicht, die als Katalysator dient, wird das Graphen herangezogen. In einem letzten Schritt wird das Nickel wieder weggeätzt.

Zeitraffer eines sich aufblähende Silizium-Kristalls in einem Graphen-Käfig
Zeitraffer eines sich aufblähende Silizium-Kristalls in einem Graphen-Käfig

Die Silizium-Partikel weisen eine Größe von 3 µm auf. Der dazu notwendige Rohstoff ist und billig und leicht zu bekommen. So fällt er an, wenn Silizium-Einkristalle auf eine bestimmte Größe gebracht werden, um dann als Wafer zu einem Chip belichtet zu werden. Solch große Silizium-Partikel sind eigentlich in einem Akku gänzlich ungeeignet und werden erst durch den Graphen-Käfig nutzbar gemacht.

Der nächste Schritt ist nun die Fertigung der Käfige zu verfeinern und eine Methode zu entwickeln, diese milliardenfach zu produzieren, so dass eine testweise Fertigung entsprechender Akkus angedacht werden kann.