Sie liefern den Strom für Elektroautos, Smartphones und Laptops: Wieder aufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind heute die Energiespeicher der Wahl, wenn es darauf ankommt, auf kleinem Raum und mit geringem Gewicht viel Energie bereit zu stellen. Weltweit wird derzeit an einer neuen Generation dieser Batterien mit verbesserter Leistung geforscht. Wissenschaftler unter der Leitung von Maksym Kovalenko, der sowohl am Laboratorium für Anorganische Chemie der ETH Zürich als auch an der Empa forscht, haben nun ein Nanomaterial entwickelt, dank dem sich in Lithium-Ionen-Batterien deutlich mehr Energie speichern lässt.
Nanomaterial
Beim Nanomaterial handelt es sich um kleinste Zinn-Kristalle, die am Minus-Pol der Batterien zum Einsatz kommen sollen. Beim Laden der Batterie werden an dieser Elektrode Lithium-Ionen aufgenommen, beim Entladen werden sie wieder abgegeben (s. Kasten). «Je mehr Lithium-Ionen die Elektrode aufnehmen und abgeben kann – je besser sie quasi atmen kann –, desto mehr Energie lässt sich in einer Batterie speichern», erklärt Kovalenko.
Gleichmässige Kristalle
Das Element Zinn ist dafür hervorragend geeignet: Jedes Zinn-Atom kann mindestens vier Lithium-Ionen aufnehmen. Eine Herausforderung ist es jedoch, mit der Volumenänderung von Zinn-Elektroden umzugehen. Denn ein Zinn-Kristall wird bis zu dreimal grösser, wenn er viele Lithium-Ionen aufnimmt, und er schrumpft wieder, wenn der die Ionen wieder abgibt.
Die Wissenschaftler setzten daher auf die Nanotechnologie. Sie stellten Zinn-Nanokristalle her und betteten eine grosse Menge davon in eine poröse und durchlässige Kohlenstoff-Matrix ein. Ähnlich wie ein Schwamm Wasser aufsaugen und wieder abgeben kann, kann eine so konstruierte Elektrode beim Entladen Lithium-Ionen aufnehmen und beim Laden abgeben. Bestünde die Elektrode aus kompaktem Zinn-Block, wäre dies nicht möglich.
Ideale Grösse der Nanokristalle
Während der Entwicklung stelle sich die Frage nach der idealen Grösse der Nanokristalle, womit auch die Herausforderung zusammenhängt, gleichmässige Kristalle herzustellen. Kovalenko: «Der Trick hierbei war, die beiden wesentlichen Schritte bei der Kristallbildung voneinander zu trennen, also einerseits die Bildung eines kleinstmöglichen Kristallkeimes und andererseits dessen weiteres Wachstum.» Indem die Wissenschaftler Zeit und Temperatur der Wachstumsphase beeinflussten, konnten sie die Kristallgrösse kontrollieren. «Wir sind die ersten, die so kleine Zinn-Kristalle in dieser Präzision hergestellt haben», sagt Kovalenko.
Grössere Zyklenstabilität
Mit einheitlichen Zinn-Nanokristallen sowie Kohlenstoff und Bindemitteln stellten die Wissenschaftler unterschiedliche Test-Elektroden für Batterien her. «Damit liess sich im Vergleich zu konventionellen Elektroden doppelt so viel Energie speichern», sagt Kovalenko. Die Grösse der Nanokristalle hatte beim ersten Lade-Entladezyklus keinen Einfluss auf die Speicherkapazität. Nach einigen Lade-Entladezyklen zeigten sich jedoch Unterschiede in Abhängigkeit der Kristallgrösse: Batterien mit 10 Nanometer kleinen Kristallen in den Elektroden konnten deutlich mehr Energie speichern als solche mit doppelt so grossem Durchmesser. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die kleineren Kristalle besser abschneiden, weil sie Lithium-Ionen effizienter aufnehmen und abgeben können.
Herstellung optimaler Zinn-Elektroden
Da die Wissenschaftler nun die ideale Grösse der Zinn-Nanokristalle kennen, möchten sich in weiterer Forschungsarbeit den verbleibenden Herausforderungen bei der Herstellung optimaler Zinn-Elektroden widmen. Dazu gehören etwa die Wahl der bestmöglichen Kohlenstoff-Matrix und des Bindemittels für die Elektrode sowie der ideale mikroskopische Aufbau der Elektrode. Ausserdem geht es um die Wahl einer optimalen und stabilen Elektrolyt-Flüssigkeit, in der die Lithium-Ionen in der Batterie zwischen den beiden Polen hin- und herwandern können. Schliesslich sind auch die Herstellungskosten ein Thema. Die Forscher möchten testen, welche kostengünstige Ausgangsmaterialen für die Elektrodenherstellung geeignet sind. Ziel ist es, Batterien mit einer erhöhten Energiespeicherkapazität und Lebensdauer marktreif zu machen, auch in Zusammenarbeit mit einem Schweizer Industriepartner.
Text: Fabio Bergamin, ETH Life
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