Von den Ufern in die Akkus

Eine hoch porçse Si-C-Anode mit hierarchischem dreidimensionalem Aufbau entsteht durch magnesiothermische Reduktion einer Siliziumdioxid-Vorstufe aus Schilf und anschließendes Überziehen mit dünnen Kohlenstoffschichten. Die hoch poröse 3D-Struktur und die Kohlenstoffbeschichtung tragen stark zur Stabilität und elektrochemischen Leistungsfähigkeit der Nanokomposite bei. (Bild: Liu et al. / Wiley-VCH)

Eine hoch poröse Si⊂C-Anode mit hierar­chischem drei­dimen­sionalem Aufbau entsteht durch magnesio­thermische Reduktion einer Silizium­dioxid-Vorstufe aus Schilf und anschlie­ßendes Über­ziehen mit dünnen Kohlen­stoff­schichten. Die hoch poröse 3D-Struktur und die Kohlen­stoff­beschichtung tragen stark zur Stabi­lität und elektro­chemischen Leistungs­fähig­keit der Nano­komposite bei. (Bild: Liu et al. / Wiley-VCH)

Seit Urzeiten nutzt der Mensch Schilf als Material für den Bau und als Dachdeck­material wegen seiner stabilen Struktur und der stark wasser­abweisenden Eigen­schaften. Das Schilfblatt enthält einen großen Anteil an mikro- und nanostruk­turiertem Silikat. Wie dieses auf relativ einfache Weise in hoch effiziente Anoden­materialien für Lithium­ionen­akkumu­latoren umgewandelt werden kann, haben chinesische und deutsche Wissen­schaftler jetzt aufgezeigt.

Viele halten nanoporöses Silizium für das Anodenmaterial der Zukunft, denn im Vergleich zu graphi­tischem Kohlen­stoff, der bislang das meistgenutzte Anoden­material ist, hat es eine viel höhere theore­tische Kapazität und eine geringere Arbeits­spannung. Die große Heraus­forderung sind jedoch noch die Kosten für die Herstel­lung von nanostruk­turiertem Silizium. Bislang wurden hierfür einfache Silikate chemisch und physikalisch aufwändig umgewandelt, oder teures Silizum-Ausgangs­material modifiziert. Einen ganz anderen Weg schlagen Yan Yu und ihre Kollegen vom MPI für Fest­körper­forschung in Stuttgart, von der University of Science and Technology of China und der South China University of Technology ein. Nach ihrer Vorstel­lung sollte es möglich sein, die hierar­chische Architektur der Silikat­kristalle in den Schilf­blättern auszunutzen, um sie in eine ebenso geordnete Mikro- und Nano­porosität von Silizium zu bringen. „Schilf­blätter weisen eine definierte dreidimen­sionale hierar­chische Blatt-Mikro­struktur auf“, argu­men­tieren die Wissen­schaftler. „Diese lässt sich durch Magnesio­thermie in eine dreidimensionale, überaus poröse hierar­chische Silizium­architektur umwandeln“. Durch einfache Beschichtung mit Kohlenstoff als letztem Schritt erhielten die Forscher dann ein Anoden­material, das mit hoher spezifischer Kapazität und einer sehr guten Auflade­rate und Zyklus­stabi­lität, wie sie für moderne Lithium­ionen­akkumu­latoren gefordert sind, aufwartet.

Besonders bemerkenswert an dieser Studie ist die Tatsache, dass die ursprüng­liche Architektur der Silikate aus der Pflanze trotz der chemischen und physika­lischen Behandlung so außer­ordent­lich gut erhalten bleibt. Während der Aufreinigung aus den trockenen Schilf­blättern schrumpft die dreidimen­sionale Struktur stark zusammen, behält aber ihr meso­poröses Netzwerk. Selbst während der Reduktion zur karboni­sierten Silizium-Endstruktur ändert sich die Architektur nicht wesentlich. Aus diesem Grund sollte sich das Schilf-Silikat als nachhaltiges Ausgangs­material für Batterie­elektroden sehr gut eignen. Schilf wächst in Form großer Mono­kulturen an Wasserläufen und um Seen herum in gemäßigten Regionen weltweit. (Quelle: Wiley-VCH)

Referenz: J. Liu et al.: Energy Storage Materials from Nature through Nanotechnology: A Sustainable Route from Reed Plants to a Silicon Anode for Lithium-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., online 26. Juni 2015; DOI: 10.1002/anie.201503150

Links: Yan Yu, Professor of Materials Science and Engineering, School of Chemistry and Materials Science, University of Science and Technology of China, HefeiStuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie (StEM; P. van Aken), Max-Planck-Institut für FestkörperforschungAbt. Physikalische Festkörperchemie (J. Maier), Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

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