Forschungszentrum Jülich - Forschen in Jülich 1_2013

Silizium-Anode Kathode: Poröser Kohlenstoff und Katalysator Teflon-Schicht SauerstoffO2 O2- O2- RTIL-Elektrolyt (Raumtemperatur, Ionische Flüssigkeit) Stromfluss e- Nickel-Netz Si4+ 1|2013 Forschen in Jülich 19 Silizium wird aus Sand gewonnen und ist praktisch unbegrenzt verfügbar. Auf ihm basieren die heutigen Compu- terchips. DER SAUERSTOFF-TRICK Ihre prinzipiell hohe Energiedichte verdanken Silizium-Luft-Batterien genau wie Lithium-Luft-Batterien einer Beson- derheit: Ihre Funktion beruht auf einer Reaktion von Sauerstoff, der nicht in der Batterie enthalten ist. Stattdessen wird er beim Entladevorgang aus der umge- benden Luft aufgenommen. Weil der Sauerstoff also nicht in der Batterie mit- geführt wird, ist deren Masse geringer als die einer konventionellen Batterie. Eichel, Leiter des neuen Bereiches „Grundlagen der Elektrochemie“ am IEK, forscht an der Silizium-Luft-Batterie, die aus ungiftigen und umweltverträglichen Komponenten besteht. Dabei kooperiert er mit deren Erfinder Prof. Yair Ein-Eli. Zusammenarbeit über Ländergrenzen hinweg ist in der Wissenschaft längst Normalität. Doch wo sich der Israeli und der Deutsche kennengelernt haben, er- staunt dann doch: „Das war in China“, so Eichel. Die Erklärung: Dort fand eine Konferenz statt, bei der sich die beiden Wissenschaftler begegneten. Seitdem erkunden Eichel und sein Team die Reak- tionen im Inneren der Batterie, die dazu führen, dass diese bei der Entladung nicht so viel Energie liefert, wie theore- tisch zu erwarten wäre. Zunächst haben die Wissenschaftler mit Hilfe von speziellen spektroskopi- schen Methoden die Vorgänge an der Elektrode untersucht, an der Sauerstoff reduziert wird (siehe auch „So funktio- niert der neue Batterietyp“). Diese Elekt- rode, die Kathode, besteht aus porösem Kohlenstoff und einem Katalysator, der die Umsetzung des Sauerstoffs be- schleunigt. Als Katalysator setzen die deutschen und israelischen Wissen- schaftler bislang Mangandioxid ein. Das Team um Eichel fand nun heraus, dass dieses Material zum Teil mit dem Elekt- rolyten der Batterie reagiert. Mit zwei unerwünschten Folgen: Erstens verlieren die Katalysator-Teilchen dadurch an Akti- vität. Zweitens vergrößern sie sich und verstopfen dadurch wahrscheinlich zu- nehmend die Poren der Elektrode, so dass weniger Sauerstoff hindurchgelan- gen kann. KATALYSATOR UNTER BEOBACHTUNG Daher experimentieren die Jülicher Wissenschaftler derzeit mit anderen Ka- talysatoren. „Es gilt, den optimalen Kom- promiss zwischen sehr aktiven, aber teuren Materialien und weniger wirkungs- vollen, aber kostengünstigeren Katalysa- toren zu finden“, erläutert Eichel. Die Su- che sei bereits erfolgreich, doch die Ergebnisse sind noch nicht veröffentlicht. Daneben freut sich der Physiker, dass es überhaupt gelungen ist, mit spektroskopi- schen Methoden den Katalysator zu be- obachten – keinesfalls selbstverständlich, weil sich dieser fein verteilt in Form winzi- ger Partikel stellenweise tief in den Poren der Kathode befindet. Inzwischen haben die Forscher noch eine andere Erkenntnis gewonnen, die sehr überraschend ist. „Bislang galt es als sicher, dass es vor allem an der Ka- thode liegt, wenn Metall-Luft-Batterien noch nicht wie gewünscht funktionieren“, sagt Eichel. Doch nun entdeckten die Wissenschaftler aus Jülich und Haifa, dass es bei der Silizium-Luft-Batterie an- ders ist. Sie konnten zeigen, dass es vor allem Vorgänge an der Silizium-Anode sind, die derzeit die Entladung der Batte- rie hemmen. Damit ist nun ein gänzlich neuer Ansatzpunkt gefunden, den innova- tiven Energiespeicher zu verbessern. :: Dr. Frank Frick FORSCHUNG IM ZENTRUM | Batterieforschung Die Batterie basiert auf der Oxidation von elementarem Silizium zu der Silizi- um-Sauerstoff-Verbindung Siliziumdioxid. Beim Entladen der Batterie wird metallisches Silizium zu Silizium-Ionen oxidiert. Die dabei entstandenen Elek- tronen fließen von der Silizium-Anode (links) durch ein Stromkabel bis zu ei- nem Nickel-Netz in der Kathode (rechts). Dort wird molekularer Sauerstoff zu Sauerstoff-Ionen reduziert. Zugleich wandern Silizium-Ionen durch eine ioni- sche Flüssigkeit und reagieren an der Kathode mit Sauerstoff-Ionen zu Silizi- umdioxid. Der Sauerstoff dafür stammt aus der Umgebungsluft. Er gelangt durch eine mechanisch stabile Teflon-Membran in die Batterie zur Kathode. Diese besteht aus porösem Kohlenstoff und einem Katalysator, der die dort stattfindenden Reaktionen beschleunigt. Wesentlich für die Funktion der Bat- terie ist die ionische Flüssigkeit – ein organisches Salz mit besonders niedri- gem Schmelzpunkt: Es löst das elementare Silizium aus der Anode heraus und überführt es in Ionen, die dann zur Kathode wandern. So funktioniert der neue Batterietyp

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