Die Suche nach dem fast perfekten Lithium-Speicher

In der Anode werden beim Laden des Akkus die Lithium-Ionen zusammen mit je einem Elektron wieder zu Lithium-Atomen, die sich im Elektrolyt nicht bewegen können. So wird das Lithium und damit die Energie im Akku gespeichert. In der Kathode werden beim Entladen ebenfalls ein Lithium-Ion und ein Elektron aufgenommen, die chemische Reaktion läuft dann umgekehrt von alleine ab, sobald Strom fließen kann. Weil der Separator keine Elektronen durchlässt, muss der Strom dabei den Umweg durch die elektrischen Anschlüsse nehmen.

In den üblichen Graphit-Anoden wird Lithium zwischen den Kohlenstoffschichten eingelagert. Dafür sind sechs Kohlenstoffatome pro Lithium-Atom nötig, und der Prozess hat eine begrenzte Geschwindigkeit, ansonsten ist es ein fast perfektes, kostengünstiges Material. Bei der Einlagerung geht nur wenig Spannung verloren, das Graphit muss sich kaum ausdehnen und geht in dem Prozess auch nicht kaputt. Aber die sechs Kohlenstoffatome wiegen zehnmal so viel wie das gespeicherte Lithium-Atom, ein ziemlich schlechtes Verhältnis.

Silizium soll Graphit ablösen

Silizium hingegen kann mit Lithium eine Legierung bilden, ungefähr im Gewichtsverhältnis 1:1. Die Lithium-Ionen können dabei aus beliebigen Richtungen in das Silizium eindringen, was den Prozess beschleunigt. Schon länger werden kleine Mengen davon mit Graphit vermischt, um dessen Kapazität zu erhöhen. Inzwischen wurden verschiedene Anoden-Materialien mit teilweise sehr hohem Silizium-Anteil entwickelt. Jedoch dehnen sich die Silizium-Partikel bei der Aufnahme des Lithiums sehr stark aus und schrumpfen bei der Abgabe wieder. Dabei kommt es zu starken Kräften im Material, die größere Silizium-Partikel zerstören.

Das ist ein Problem. Denn ohne elektrischen Kontakt zum Rest der Anode sind die Bruchstücke verloren. Selbst wenn der Kontakt bestehen bleibt, binden zu kleine Silizium-Stücke zu viel Lithium an sich. Denn um jeden Partikel bildet sich im Elektrolyt eine dünne Deckschicht aus unlöslichen Lithium-Salzen, womit dem Akku Lithium verlorengeht. Kleine Partikel haben im Vergleich zu ihrer Masse aber eine größere Oberfläche, so dass die Kapazität durch zerbröckelndes Silizium schnell einbricht.

Elastischer Kunststoff hält Silizium zusammen

Dieses Problem kann mit elastischen Polymeren als Bindemittel zumindest soweit verkleinert werden, dass in Silizium-Anoden inzwischen deutlich mehr Lithium als in Graphit gespeichert werden kann. Tesla hat angekündigt, solche Techniken aus den Laboren in die Massenfertigung zu bringen. Anders als bei den längst ausgereizten Graphit-Anoden wird es in den nächsten Jahren wohl noch viele Verbesserungen beim Silizium geben.

In der Forschung deutet sich jedenfalls an, dass mit Silizium zumindest die fünffache Kapazität von Graphit erreicht werden kann. Zunächst dürfte das in der Produktion zu Gunsten der Stabilität noch nicht ausgereizt werden. Tesla hat sich für einen konservativen Weg zur Verbesserung der Anode entschieden. Einen, der noch einige Probleme aufwirft, etwa dass beim ersten Ladevorgang knapp 20 Prozent des Lithiums dauerhaft in der Anode verbleiben und möglichst vor der Produktion des Akkus hinzugefügt werden müssen.

Viel mehr Probleme macht jedoch der radikale Weg, den Firmen wie Quantumscape gehen wollen. Statt ein Gramm Lithium zusammen mit Graphit oder Silizium zu speichern, soll es einfach als Lithium-Metall gespeichert werden. Völlig aus dem Blick gerät dabei jedoch das große Ganze - der Rest des Akkus.