Seit vielen Jahren suchen Forscher nach neuen Elektrodenmaterialien für die Lithium-Ionen-Batterie der nächsten Generation. Mit neuen Materialien soll vor allem die speicherbare Energie steigen, was sich positiv auf Elektromobilität und den Ausbau des Stromnetzes für erneuerbare Energien auswirken kann.

Beim Aufladen der Lithium-Ionen-Zellen entstehen beispielsweise doppelt geladene Magnesiumionen (orange) sowie einfach geladene Lithiumionen (grün), die in der Anode aus Silizium (blau) Lithium-Metall-Silizium-Phasen bilden. Dieser Prozess stabilisiert die Anode und ermöglicht eine höhere Zyklenzahl.

Beim Aufladen der Lithium-Ionen-Zellen entstehen beispielsweise doppelt geladene Magnesiumionen (orange) sowie einfach geladene Lithiumionen (grün), die in der Anode aus Silizium (blau) Lithium-Metall-Silizium-Phasen bilden. Dieser Prozess stabilisiert die Anode und ermöglicht eine höhere Zyklenzahl. Argonne National Laboratory

Die Silizium-Anode ist dabei derzeit der vielversprechendste Kandidat und soll die aktuelle Graphit-Anode ersetzen. Silizium hat gegenüber Graphit einen erheblich höhere Energiespeicherkapazität (Faktor zehn) und ist deutlich preiswerter.

Ein Stolperstein für die Silizium-Anode ist laut Jack Vaughey, Senior Chemist am Argonne National Laboratory, ihre hohe Reaktivität beim Cycling der Zelle. Die Reaktion mit dem Elektrolyten baut die Zelle mit der Zeit ab, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt. Aktuelle Elektrolyte für Lithium-Ionen-Zellen enthalten ein Lösungsmittelgemisch mit einem gelösten Lithiumsalz udn mindestens einem, oft mehr als drei organischen Additiven. Strategie der Argonne-Forscher ist der Zusatz einer kleinen Menge eines zweiten Salzes, das eines von mehreren möglichen doppelt oder dreifach geladenen Metallkationen (Mg2+, Ca2+, Zn2+ oder Al2+) enthält.

Diese MESA-Elektrolytmischung (MESA = Mischsalzelektrode für Siliziumanoden) verleihen Siliziumanoden eine erhöhte Oberflächen- und Bulkstabilität und verbessern so die Langzeitzyklen-Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie. Laut Argonne-Chemiker Baris Key ist die neue Chemie der Anode einfach, skalierbar und vollständig kompatibel zur bestehenden Batterietechnologie. Die Stabilisierung der Silizium-Anode beruht darauf, dass während des Ladevorgangs die Metallkationenzusaätz im Elektrolyten zusammen mit den Lithiumionen in die Silizium-Anode und bildet Lithium-Metall-Silizium-Phasen. Diese sind stabiler als die Lithium-Silizium-Phasen und reduzieren so die schädlichen Nebenreaktionen an der Anode. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass doppelt geladene Magnesium- und Kalziumionen bei Hunderten von Lade- und Entladezyklen die besten Ergebnisse bringen. Die mit diesen Zellen erreichbaren Energiedichten übertrafen die von vergleichbaren Zellen mit Graphitchemie um bis zu 50 Prozent.