Chinesische Wissenschaftler haben einen bedeutenden Fortschritt in der Festkörperbatterietechnologie erzielt, indem sie eine Siliziumanode mit einer einzigartigen dreidimensionalen Struktur entwickelt haben, die die inhärente Instabilität des Materials überwinden soll. Der von Professor Chen Wanghua an der Universität Ningbo geleitete Durchbruch behebt eine große Hürde bei der Batterieentwicklung der nächsten Generation: die Tendenz von Silizium, sich während der Ladezyklen auszudehnen und zu zersetzen.
Das Problem mit Silizium
Silizium ist für Lithiumbatterien mit hoher Kapazität äußerst vielversprechend und speichert theoretisch zehnmal mehr Energie als herkömmliche Graphitanoden. Die dramatische Lautstärkeänderung (über 300 %) während des Ladevorgangs hat jedoch in der Vergangenheit den Einsatz in der Praxis beeinträchtigt. Diese Ausdehnung führt zu mechanischer Beanspruchung, zerstört die Batterieschnittstellen und verringert schnell die Leistung.
Wie Professor Chen Wanghua es ausdrückt, ist Silizium ein „Superträger“ mit immensem Speicherpotenzial, das sich jedoch bei wiederholter Verwendung „gewaltsam ausdehnt“ und „zusammenbricht“. Diese Instabilität war lange Zeit das Haupthindernis für die Ausschöpfung des vollen Potenzials von Silizium.
Die „atmungsaktive“ Lösung
Das Forschungsteam nutzte die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), um eine neuartige säulenförmige Siliziumarchitektur zu schaffen, die direkt in den Stromkollektor integriert ist. Dieses Design zeichnet sich durch eine „zweiphasige“ Kern-Schale-Struktur aus, die in zwei Schritten aufgebaut wird.
Die wichtigste Innovation ist die gezielte Einführung von Hohlräumen zwischen vertikal ausgerichteten Silizium-Nanodrähten. Dieses Netzwerk erzeugt interne „Atmungsventile“, die es dem Silizium ermöglichen, sich in reservierte Räume auszudehnen, wenn Lithiumionen eindringen, anstatt den umgebenden Festelektrolyten zu zerdrücken.
Tatsächlich gingen die Forscher von der Verwendung von „Siliziumpulver“ zum Aufbau eines „Waldes“ aus miteinander verflochtenen Nanodrähten über, der eine Expansion ohne strukturelles Versagen aufnehmen kann.
Außergewöhnliche Leistung und Haltbarkeit
Tests bestätigen die überlegene Leistung der neuen Anode. Die daraus resultierende Festkörperbatterie lieferte auch dann noch Strom, wenn sie gebogen oder geschnitten wurde, und bewies eine außergewöhnliche mechanische Robustheit und Sicherheit.
Dieser Durchbruch stellt einen Wandel hin zur Entwicklung von Batteriematerialien dar, bei denen sowohl die Ionenleitfähigkeit als auch die strukturelle Integrität im Vordergrund stehen. Es bringt hochenergetische und langlebige Festkörper-Siliziumbatterien der praktischen Umsetzung deutlich näher.
Diese Forschung bietet einen praktikablen technischen Weg für die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation und könnte möglicherweise die Energiespeicherung für Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronik revolutionieren.
