Eine neue Festkörperbatterie überrascht die Forscher, die sie entwickelt haben - Seite 2

Das Team demonstrierte eine vollständige Zelle im Labormaßstab, die 500 Lade-
und Entladezyklen mit einer Kapazitätserhaltung von 80 % bei Raumtemperatur
ermöglicht.

Silizium als Anode zum Ersatz von Graphit

Siliziumanoden sind natürlich nicht neu. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler
und Batteriehersteller nach Silizium als energiereichem Material, das in
Lithium-Ionen-Batterien mit herkömmlichen Graphitanoden gemischt werden oder
diese vollständig ersetzen kann. Theoretisch bietet Silizium etwa die zehnfache
Speicherkapazität von Graphit. In der Praxis haben Lithium-Ionen-Batterien, bei
denen der Anode zur Erhöhung der Energiedichte Silizium zugesetzt wurde, jedoch
in der Regel mit Leistungsproblemen zu kämpfen: Insbesondere ist die Anzahl der
Lade- und Entladevorgänge bei gleichbleibender Leistung nicht hoch genug.

Ein Großteil des Problems wird durch die Wechselwirkung zwischen Siliziumanoden
und den flüssigen Elektrolyten, mit denen sie gepaart sind, verursacht. Die
Situation wird durch die große Volumenausdehnung der Siliziumteilchen während
des Ladens und Entladens erschwert. Dies führt im Laufe der Zeit zu erheblichen
Kapazitätsverlusten.

"Als Batterieforscher ist es von entscheidender Bedeutung, die Probleme im
System an der Wurzel zu packen. Bei Siliziumanoden wissen wir, dass eines der
größten Probleme die Instabilität der Flüssigelektrolyt-Grenzfläche ist", sagt
Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UC San Diego, korrespondierende
Autorin der Science Veröffentlichung und Direktorin des Institute for Materials
Discovery and Design an der UC San Diego. "Wir brauchten einen völlig anderen
Ansatz", sagte Meng.

Das von der UC San Diego geleitete Team verfolgte einen anderen Ansatz: Es
eliminierte den Kohlenstoff und die Bindemittel und verwendete reine
Siliziumanoden. Darüber hinaus verwendeten die Forscher Mikro-Silizium, das
weniger bearbeitet und preiswerter ist als das häufiger verwendete
Nano-Silizium.

Eine reine Solid-State-Lösung

Das Team entfernte nicht nur den gesamten Kohlenstoff und die Bindemittel von
der Anode, sondern auch den flüssigen Elektrolyten. Stattdessen verwendeten sie
einen festen Elektrolyten auf Sulfidbasis. Ihre Experimente zeigten, dass dieser
Festelektrolyt in Batterien mit Vollsiliziumanoden äußerst stabil ist.

"Diese neue Arbeit bietet eine vielversprechende Lösung für das Problem der
Siliziumanode, auch wenn es noch mehr zu tun gibt", sagte Professorin Shirley
Meng. "Ich sehe dieses Projekt als Bestätigung unseres Ansatzes in der