Weltweit fallen jährlich 100 000 Tonnen Silizium-Späne als Industriemüll an. Japanische Forscher haben jetzt ein Verfahren entwickelt, die Späne für die Herstellung von Akku-Komponenten zu verwenden.
Wissenschaftler der Universität Osaka setzten dazu nanofeines flockiges Siliziumpulver ein, um hochleistungsfähiges Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) daraus zu fertigen. Li-Ionen-Batterien finden sich heute in fast allen Elektro-Autos.
Die Forscher umhüllten das Silizium-Nanopulver mit ultradünnen Graphitschichten, um Elektroden mit hoher Flächenkapaziät und Stromdichte für Li-Ionen-Batterien herzustellen. So bildet sich eine selbst stabilisierende ultrafeine Verbundstruktur, bei der die Graphitschichten Brücken über entstehenden Rissen von Siliziumpartikel bilden und die weitere Rissbildung und Ablösung unterdrücken.
Diese Struktur aus feinen Graphitschichten und Silizium ermöglichte im Laborbetrieb bis zu 901 Entladezyklen bei einer Dichte von 1,2 Amperestunden pro Gramm. Gängige Li-Ionen-Batterien mit Graphit-Anoden, wie sie in Mobiltelefonen oder Antriebsbatterien verwendet werden, haben lediglich eine theoretische Kapazität von 0,372 Amperestunden pro Gramm. Graphit ist nur begrenzt fähig, Lithium-Ionen aufzunehmen und deshalb in seiner Energiedichte begrenzt. Dagegen kann Silizium mit deutlich mehr Lithium-Ionen aufgeladen werden. Jedoch dehnt sich bei der Ladung das Slizium stark aus und zerstört damit die Anode.
Diesen Prozess haben die japanischen Forscher durch die von ihnen verwendete Verbundstruktur unterbunden. “Si-Anodenbatterien mit hoher Kapazität und hoher Stromdichte haben das Potenzial, in Elektrofahrzeugen eingesetzt zu werden”, sagt Taketoshi Matsumoto, Mitautor der Studie. Dieses Potential, zusammen mit der Verwendung von industriellem Silizium-Abfall könne zur Verminderung des Treibhausgas-Aufkommens führen.
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