Energiespeicher: Spannungsimpulse stellen Kapazität wieder her
Mit einem einfachen Spannungsimpuls kann die Kapazität von Lithium-Silizium-Akkus (Li-Si) wiederhergestellt werden, berichten Forscher der Stanford University in der Fachzeitschrift Science(öffnet im neuen Fenster).
Bei Li-Si-Akkus werden eine Anode auf Siliziumbasis und Lithium-Ionen verwendet. Da Lithium mit Silizium im Idealfall eine Legierung mit dem Verhältnis von 15 Lithiumatomen zu vier Siliziumatomen bildet, ist die erreichbare Energiedichte deutlich höher als bei Graphit, in dem sechs Kohlenstoffatome benötigt werden, um ein Lithiumatom zu speichern.
Durch die Einlagerung von Lithium vergrößern sich Siliziumpartikel allerdings erheblich, wodurch diese zur Zersplitterung neigen, was zu einem schnellen Abfall der Kapazität führt. Das in den dadurch entstehenden Fragmenten gebundene Lithium steht für den Ladungstransport im Akku nicht mehr zur Verfügung.
Verbindung zum elektrischen System wird wiederhergestellt
Die Forscher beschreiben nun einen Weg, mit dem sich die Siliziumfragmente wieder mit dem elektrischen System der Akku in Kontakt bringen lassen. Als Idee wurde die Möglichkeit angenommen, dass sich die Fragmente an eine Elektrode oder ein anderes Material binden lassen könnten, welches mit dem Ladungstransportnetz verbunden ist.
Da sie es für unwahrscheinlich hielten, dass das Lithium gleichmäßig in den Siliziumpartikeln verteilt ist, gingen sie davon aus, dass es sich um ein polares Material mit Bereichen höherer und niedrigerer Elektronendichte handelt, wodurch sich dieses in einem ungleichmäßigen elektrischen Feld bewegen kann.
Durch die ungleichmäßige und chaotische Struktur im Nanobereich einer Elektrode erzeugt jede daran angelegte Spannung ein ungleichmäßiges elektrisches Feld. Je nach lokaler Struktur werden dadurch einige Teilchen angezogen oder abgestoßen und es wurde davon ausgegangen, dass die meisten Siliziumfragmente nach kurzer Zeit auf einen Teil der Elektrode stoßen, wodurch eine Verbindung zum elektrischen System der Elektrode wiederhergestellt wird.
Kapazität ließ sich um 30 Prozent erhöhen
In einem Test mit gebrauchten Akkus mit einer Anode aus Silizium konnte bestätigt werden, dass sich kleine Materialfragmente in Richtung der Elektrode bewegten, wenn an diese eine Spannung gelegt wurde und dass dadurch ein Teil der Kapazität wiederhergestellt wurde. Letztere war umso größer, je höher die angelegte Spannung war.
Die höchste Spannung, die die Forscher anlegen konnten, ohne eine Beschädigung des Elektrolyts des Akkus zu riskieren, war vier Volt. Zudem stellten sie fest, dass die Wiederherstellung der Kapazität nach fünf Minuten ein Plateau erreichte. Nach etwa 20 Lade- und Entladezyklen konnte die Kapazität um 30 Prozent erhöht werden. Zuvor hatte der Akku allerdings zwei Drittel seiner Kapazität verloren.
Da es sich bei dem Versuch um eine Laborzelle handelt, die nicht die üblichen (und oft geheimen) Zusätze im Elektrolyt verwendet, mit denen sich die Lebensdauer meist nochmals deutlich verlängern lässt, muss sich erst noch zeigen, ob dieser Ansatz auch für Lithium-Silizium-Akkus geeignet ist, die sich langsamer abbauen. Für Akkus mit Graphitanode wird Silizium bereits als Zusatz verwendet, um dessen Kapazität zu erhöhen.