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29.07.2015

Natürliche Silikatstrukturen in Schilfpflanzen: Anodenmaterial der Zukunft?


Seit Urzeiten nutzt der Mensch Schilf als Material für den Bau und als Dachdeckmaterial wegen seiner stabilen Struktur und der stark wasserabweisenden Eigenschaften. Das Schilfblatt enthält einen großen Anteil an mikro- und nanostrukturiertem Silikat. Wie dieses auf relativ einfache Weise in hoch effiziente Anodenmaterialien für Lithiumionenakkumulatoren umgewandelt werden kann, haben chinesische und deutsche Wissenschaftler jetzt.

Viele halten nanoporöses Silizium für das Anodenmaterial der Zukunft, denn im Vergleich zu graphitischem Kohlenstoff, der bislang das meistgenutzte Anodenmaterial ist, hat es eine viel höhere theoretische Kapazität und eine geringere Arbeitsspannung. Die große Herausforderung sind jedoch noch die Kosten für die Herstellung von nanostrukturiertem Silizium. Bislang wurden hierfür einfache Silicate chemisch und physikalisch aufwändig umgewandelt, oder teures Silizum-Ausgangsmaterial modifiziert. Einen ganz anderen Weg schlagen Yan Yu und ihre Kollegen vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, von der University of Science and Technology of China und der South China University of Technology ein. Nach der Vorstellung der Wissenschaftler sollte es möglich sein, die hierarchische Architektur der Silicatkristalle in den Schilfblättern auszunutzen, um sie in eine ebenso geordnete Mikro- und Nanoporosität von Silizium zu bringen. "Schilfblätter weisen eine definierte dreidimensionale hierarchische Blatt-Mikrostruktur auf", argumentieren die Wissenschaftler. "Diese lässt sich durch Magnesiothermie in eine dreidimensionale, überaus poröse hierarchische Siliciumarchitektur umwandeln". Durch einfache Beschichtung mit Kohlenstoff als letztem Schritt erhielten die Autoren dann ein Anodenmaterial, das mit hoher spezifischer Kapazität und einer sehr guten Aufladerate und Zyklusstabilität, wie sie für moderne Lithiumionenakkumulatoren gefordert sind, aufwartet.

Besonders bemerkenswert an dieser Studie ist die Tatsache, dass die ursprüngliche Architektur der Silicate aus der Pflanze trotz der chemischen und physikalischen Behandlung so außerordentlich gut erhalten bleibt. Während der Aufreinigung aus den trockenen Schilfblättern schrumpft die dreidimensionale Struktur stark zusammen, behält aber ihr mesoporöses Netzwerk. Selbst während der Reduktion zur carbonisierten Silizium-Endstruktur ändert sich die Architektur nicht wesentlich. Aus diesem Grund sollte sich das Schilf-Silicat als nachhaltiges Ausgangsmaterial für Batterieelektroden sehr gut eignen. Schilf wächst in Form großer Monokulturen an Wasserläufen und um Seen herum in gemäßigten Regionen weltweit.

—> Originalpublikation

Quelle: Angewandte Chemie




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