Zinn-Nanokristalle für zukünftige Batterien

Li-Ion-Akkus
Li-Ion (Lithium-Ion) Batterien sind die am häufigsten wiederaufladbaren Batterien in der tragbaren Elektronik. Lithium-Ionen-Akkus haben eine der besten Energiedichten, keinen Memory-Effekt, langsamen Ladungsverlust bei Nichtgebrauch und umweltfreundlich, da kein freies Lithiummetall im Vergleich zu anderen Akkutypen vorhanden ist. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind die bevorzugten kompakten, leichten Speichermedien der Wahl, um große Energiemengen auf kleinem Raum zu speichern. Sie versorgen Elektroautos, Elektrofahrräder, Smartphones und Laptops mit Strom. Weltweit sind Forscher derzeit dabei, eine neue Generation solcher Batterien mit verbesserter Leistung zu entwickeln. In den meisten Lithium-Ionen-Batterien besteht der Pluspol heutzutage aus den Übergangsmetalloxiden Kobalt, Nickel und Mangan, dem Minuspol von Graphit. In leistungsstärkeren Lithium-Ionen-Akkus der nächsten Generation können jedoch durchaus Elemente wie Zinn oder Silizium am Minuspol verwendet werden.
Lithium-Ionen-Akkus auf Nanomaterialbasis
Forschende des Laboratoriums für Anorganische Chemie der ETH Zürich und der Empa haben nun Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Nanomaterialien entwickelt.
Struktur
Das Nanomaterial besitzt winzige Zinnkristalle als Anode der Batterie. Beim Laden werden Lithium-Ionen an dieser Elektrode aufgenommen und beim Entladen wieder abgegeben. Mit mehr Lithium-Ionen können die Elektroden aufnehmen und abgeben und somit kann mehr Energie in der Batterie gespeichert werden. Dabei kann jedes Zinnatom mindestens vier Lithiumionen aufnehmen, jedoch sein Volumen ändern. In den Zinnelektroden werden Zinnkristalle durch die Aufnahme vieler Lithium-Ionen bis zu dreimal größer und schrumpfen bei der Abgabe wieder zusammen, was die Forscher vor eine Herausforderung stellt. Wäre die Elektrode aus einem kompakten Zinnblock gefertigt, wäre dies praktisch unmöglich. Um diesen Nachteil zu überwinden, verwenden Forscher die Nanotechnologie, um kleinste und gleichmäßige Zinn-Nanokristalle herzustellen und eine große Anzahl davon in eine poröse, leitfähige, durchlässige Kohlenstoffmatrix einzubetten.
Bei der Entwicklung des Nanomaterials mit idealer Größe und Gleichmäßigkeit verfolgen die Forscher zwei Schritte bei der Bildung kleiner Kristallkeime und deren anschließendem Wachstum durch Beeinflussung von Zeit und Temperatur der Wachstumsphase.
Zukünftige Entwicklung
Durch die Wahl der bestmöglichen Kohlenstoffmatrix und des Bindemittels für die Elektroden und einer idealen mikroskopischen Struktur der Elektroden sowie einer optimalen und stabilen Elektrolytflüssigkeit, in der die Lithiumionen zwischen den beiden Polen hin und her wandern können, können die Forscher glauben, dass für die Elektrodenherstellung geeignete kostengünstige Basismaterialien mit erhöhter Energiespeicherkapazität und Lebensdauer hergestellt werden können.