Mit klassischen AA-Batterien haben Feststoffbatterien wenig gemein (Symbolbild).
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Die neuartige Architektur ermöglicht den Einsatz von leistungsfähigem Silizium als Anode, weil dieses Platz zum Ausdehnen hat.
Hohe Energiedichte bei gleichzeitiger Sicherheit ist eine der größten Herausforderungen in der Batterieentwicklung. Feststoffakkus sollen Abhilfe schaffen, doch allem Hype zum Trotz hat diese Technologie es noch nicht in die Serienreife geschafft.
Gleichzeitig wird noch immer intensiv an der Weiterentwicklung geforscht. Einem Forschungsteam aus Ningbo im Osten Chinas ist nun ein Durchbruch gelungen, wie Car News China berichtet. Ihre neuartige Batterie enthält eine dreidimensionale „atmende Struktur“, die Silizium-Anoden mit besonders hoher Leistung ermöglicht. Details wurden in der Fachzeitschrift Energy Storage Materials veröffentlicht.
Neue Struktur schafft Platz für 3-fache Ausdehnung
Das Material habe großes Speicherpotential, dehne sich beim Laden und Entladen enorm aus, erklärt Autor Chen Wanghua bei China Car News: „Wenn Silizium während des Ladevorgangs Lithiumionen aufnimmt, nimmt sein Volumen um mehr als das 3-fache zu. Bei wiederholten Lade- und Entladezyklen verhält sich Silizium wie ein Ballon, der sich ständig aufbläst und wieder entleert, bis er schließlich aufgrund von Erschöpfung ‚kollabiert‘.“ Das führt zu einem plötzlichen Batterieversagen.
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Diesem Problem begegnet das Forschungsteam mit einer neuartigen Architektur für das Silizium. Das kann dadurch im starren Feststoffakku sozusagen „frei atmen“.
Hohlräume zum Atmen
„Wir haben uns vom traditionellen ‚Siliziumpulver‘ abgewandt und lassen Silizium stattdessen wie Bäume in einem Wald ‚stehen‘“, erklärt Chen weiter. Diese Nanodrähte haben großzügige Hohlräume zwischen sich, die innerhalb der Batterie wie Atemventile fungieren.
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„Wenn Lithiumionen eindringen, können sich die Silizium-Nanodrähte in diese freigehaltenen Räume ausdehnen, ohne den umgebenden Elektrolyten zu zerdrücken“, so der Forscher.
Außerordentlich sicher
Experimente zeigen, dass diese säulenartige Silizium-Anode außerordentliche elektrochemische Leistung und Praktikabilität bietet. Eine 70mAh-Zelle hielt nach 270 Ladezyklen immer noch 72,5 Prozent ihrer Ursprungskapazität. Die entsprechende Batterie habe sogar noch Energie bereitgestellt, als sie gebogen oder mit einer Schere eingeschnitten wurde. Eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie würde bei einer derartigen Behandlung wohl Feuer fangen.
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Die Labortests zeigten bemerkenswerte mechanische Robustheit und Sicherheit, betonen die Forscherinnen und Forscher. Ihre neuartige Architektur könne die praktische Anwendung von Feststoffbatterien klar voranbringen.
