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Im Akku reißt und bröckelt nichts mehr

Michael Sternad forschte an Lithium-Ionen-Batterien und fand eine Methode, um Silizium dafür nutzbar zu machen. Ein Patent wurde bereits angemeldet.

Energie muss immer und überall verfügbar sein. Ob Handy, Laptop oder Elektroautos: Die Unabhängigkeit von der Steckdose wird immer wichtiger – und damit die Leistungsfähigkeit von Batterien und Akkus. Der Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Batterien, doch an der Verbesserung ihrer Kapazität wird stets geforscht. Michael Sternad war während seiner Dissertation am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz einer speziellen Schicht im Inneren der Batterie auf der Spur: Die SEI (Solid Electrolyte Interphase) umgibt eine der Elektroden, damit diese in dem flüssigen Elektrolyt nicht zu korrodieren beginnt.

Dazu muss man wissen, dass solche Batterien aus zwei Elektroden bestehen, zwischen denen beim Aufladen (über die Flüssigkeit) Lithiumionen in eine Richtung wandern, beim Entladen wandern sie zurück. Diese Bewegung ermöglicht uns, Handy, Laptop und Elektroauto fern der Steckdose zu benutzen. Wie es in der Forschung häufig passiert, ist Sternad bei seinen Studien über Elektrolytzusätze (in Verbindung mit Siliziumelektroden) etwas ganz anderes aufgefallen: Silizium erhöht die Kapazität der Batterie deutlich – als Elektrodenbestandteil. „Dass es die Lithium-Ionen-Speicherfähigkeit von Elektroden um das Vier- bis Siebenfache erhöht, war schon länger bekannt“, sagt Sternad. Doch da gab es immer ein Problem: Silizium dehnt sich bei der Aufnahme von Lithiumionen um das Dreifache seiner ursprünglichen Größe aus. Wie eine Wasserbombe, die größer wird, wenn man Wasser hineinfüllt.Das herkömmliche Material ist Grafit: Durch seinen Schichtenaufbau können Lithiumionen hineinwandern, ohne arge Volumenzunahmen zu verursachen. „Silizium war in der Elektrode meist ein Problem, da die restlichen Materialien mit der Volumenzunahme nicht zurechtkamen.“ Die Schutzschichten bröckelten ab, zerrissen, machten die Batterie unbrauchbar. Sternad entdeckte, dass die Schutzschicht durch Zusatz von Fluor dehnbar wird. Wie eine Luftballonhaut macht die neue Schutzschicht („ein elastischer Lack“) die Größenveränderung mit. Gemeinsam mit Projektpartner Mitsubishi patentierte Sternad die Siliziumversion der Lithium-Ionen-Batterie: Die effiziente „Batterie der Zukunft“ aus Graz kann nun in Elektroautos Einsatz finden.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 11.10.2009)