17/09/2011 - Die Batterien könnten mehr Energie durch Algen speichern

Menéame

Lithium-Ionen-Batterien könnten bei Verwendung von Siliziumanoden statt Graphit bis zu zehnmal mehr Energie pro Batterie speichern. Aber die Hersteller verwenden kein Silizium, weil die Anoden dieses Materials durch die Batterieladungen und -entladungen schnell abgebaut werden.

Forscher des georgischen Technologieinstituts (Georgia Tech) und der Clemson University (USA) glauben, dass sie den Bestandteil gefunden haben könnten, der die Siliziumanoden zum Funktionieren bringen wird: ein Bindemittel und Konservierungsmittel aus Algen, die in vielen Haushaltsprodukten sehr häufig verwendet werden. Sie sagen, dass dieses Material nicht nur dazu dienen würde, effizientere Lithium-Ionen-Batterien herzustellen, sondern auch umweltfreundlicher und billiger.

Lithium-Ionen-Batterien speichern Energie durch die Ansammlung von Ionen im Anoden. Während des Gebrauchs wandern diese Ionen über Elektrolyte in die Kathode. Anoden werden in der Regel hergestellt, indem ein Pulver aus elektroaktivem Graphit mit einem Bindemittelpolymer (üblicherweise Vinylidenpolyfluorid, PVDF) gemischt wird, das in einem Lösungsmittel namens NMP gelöst wird. Die daraus resultierende Mischung wird auf die Metallfolie, die zur Sammlung des elektrischen Stroms verwendet wird, ausgebreitet und getrocknet.

Wenn Siliziumpartikel als Grundlage für elektroaktives Pulver verwendet werden, kann die Anode der Batterie mehr Ionen speichern. Aber die Siliziumpartikel werden nach dem Aufladen der Batterie aufgeblasen, wodurch die ursprüngliche Größe vervierfacht wird. Diese Vergrößerung verursacht Risse im Bindemittel, dem PVDF, wodurch das Anode beschädigt wird. In einer Forschung, die am vergangenen Donnerstag von Science veröffentlicht wurde, zeigen Georgia Tech und Clemson Wissenschaftler, dass bei Verwendung von Alginat statt von PVDF Anoden anschwellen und das Bindemittel nicht riss. Dadurch konnten Forscher eine stabile Siliziumanode entwickeln, die bisher achtmal so viel Kapazität wie die besten Graphitanoden aufweist.

Das Alginatpolymer wird aus Braunalgen hergestellt, einschließlich der Vielfalt, die riesigen Laminaralgenwälder bildet. Es wird bereits weit verbreitet als Geliermittel und Konservierungsmittel für die Nahrung verwendet. Zunächst dachten die Forscher, die PVDF durch eine Kombination verschiedener Materialien zu ersetzen. Nach der Theorie erkannten sie dann, dass ein Polymer mit der richtigen Menge an gleichmäßiger Struktur alles tun könnte, was das Bindemittel tun sollte, einschließlich der Bereitstellung eines guten strukturellen Trägers zur Zeit, ohne chemisch mit dem Elektrolyt zu reagieren.

Gleb Yushin, einer der Forscher und Leiter des Zentrums für Nanostrukturierte Materialien für die Speicherung von Energie von Georgia Tech, sagt, dass das Team erkannte, dass einige synthetische Polymere, die aus der Cellulose von Pflanzen gewonnen wurden, Strukturen haben, die denen ähneln, die sie benötigten, aber nicht einheitlich genug waren. Also begann das Team Wasserpflanzen zu analysieren. Jushin sagte: "Wir dachten, es gäbe vielleicht bereits ein Polymer [das wir verwenden könnten], weil Wasserpflanzen - besonders die im Meer lebenden - in einen Elektrolyt eingebettet sind," und deshalb hätten sie sich entwickelt, um unerwünschte Reaktionen zu verhindern. Sie kreuzten sich mit dem Alginat, das durch Kochen von Laminaren in kohlensäurehaltigem Wasser entfernt werden kann und das die einheitliche Struktur hat, die sie benötigen.

Ein weiterer Vorteil von Alginat gegenüber PVDF ist, dass Alginat bei der Herstellung der Anoden in Wasser aufgelöst werden kann, wodurch die Notwendigkeit der Verwendung von NMP beseitigt wird, was möglicherweise zu einem umweltfreundlicheren Herstellungsprozess führt. Die Forscher glauben, dass das Bindemittel in die derzeitigen Anodenherstellungssysteme integriert werden könnte, indem lediglich PVDF und NMP durch Alginat und Wasser ersetzt werden. Alginat könnte auch verwendet werden, um die Leistung von Graphit-basierte Anoden zu verbessern, wodurch mehr Lade- und Entladezyklen über die gesamte Lebensdauer der Batterie möglich sind.

Das Potenzial einer Siliziumanode kann erst voll ausgeschöpft werden, wenn die Forscher eine gleichwertige Kathode entwickeln, die in der Lage ist, die gleiche Menge an Lithiumionen zu handhaben. Doch selbst mit den derzeit vorhandenen Kathoden könnten Alginat-Silizium-Anoden laut Yushin die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien um 30 bis 40 Prozent erhöhen.

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