Nano-Recycling

Lithium-Ionen-Batterien aus Altglas

| Autor: Sebastian Gerstl

Forschern der University of California, Riverside, ist es mit einem neuartigem Fertigungsprozess gelungen, Altglas zu kostengünstigen Nanosilizium-Anoden für Lithium-Ionen-Baterrien zu recyclen.
Forschern der University of California, Riverside, ist es mit einem neuartigem Fertigungsprozess gelungen, Altglas zu kostengünstigen Nanosilizium-Anoden für Lithium-Ionen-Baterrien zu recyclen. (Bild: UC Riverside)

Von der leeren Milchflasche zum Handyakku: Aus zermahlenem und weiterverarbeitetem Altglas haben Forscher ein Nanomaterial zum Bau von Batterie-Elektroden hergestellt. Knopfzellen mit diesen Nanosilizium-Anoden können bis zu vier Mal so viel Energie speichern wie konventionelle Batterien mit Graphit-Anoden – und das bei niedrigen Material- und Herstellungskosten.

Altglas ist trotz aller Recyclingbemühen womöglich eine der häufigsten anfallenden Müllressourcen im Alltag. Wissenschaftler stellen sich daher stets von neuem die Frage, ob das im Glas vorhandene Silizium (bzw. Silizium-Dioxid) nicht auch für andere Zwecke nutzbar gemacht werden kann. Wissenschaftler der University of California in Riverside haben hierfür nun einen neuen Ansatz gefunden: Mit Hilfe eines chemischen Prozesses ist es ihnen gelungen, aus Altglas nanoskaliges Silizium zu gewinnen, dass für Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann.

Für gewöhnlich werden in solchen Lithium-Ionen-Batterien Elektroden aus Graphit oder eng verwandten Kohlenstoffen verwendet. Anoden aus Silizium versprechen in Labortests zwar eine bis zu zehnmal bessere Effizienz, doch die Dehnungsvorgänge beim Laden und Entladen der Batterie sorgen bei dem Material meist für Stabilitätsprobleme; ein Problem, dass mit Hilfe von nanoskaligem Silizium allerdings in den Griff bekommen werden kann, wie Experimente belegt haben.

Üblicherweise ist für Anwendungen wie etwa im Halbleiterbereich ein hochreinies Silizium notwendig, dass mit aufwändigen und damit kostspieligen Prozessen aus geeignetem Gestein gewonnen werden muss. Die Forscher um Changling Li nutzten für ihre Herstellungsmethode allerdings einen anderen Ansatz: Als Rohstoffquelle dienten ihnen alte Glasflaschen, die sie in ein Pulver von nanoskaliger Größe zermahlten. Teure Aufreinigungsschritte entfallen; nach dem Zermahlen bleibt effektiv reines Silizium-Dioxid zurück. Das fein gemahlene Glaspulver kann somit theoretisch direkt in der bereits etablierten industriellen Batterieproduktion eingesetzt werden.

Diese ahmten die Forscher im Labor nach, indem sie das Siliziumdioxid unter Hitze und Zugabe von Magnesium zu Silizium reduzierten. Das Magnesium ätzten sie hinterher aus dem Silizium wieder heraus, sodass ein nanostrukturiertes Netzwerk aus reinem Silizium zurückblieb. Dieses überzogen die Wissenschaftler abschließend noch mit einer Schutzschicht aus Kohlenstoff .

Wie die Wissenschaftler in ihren Essay ausführen, übertrifft die Leistung von Knopfzellen mit den aus Altglas produzierten Nanosilizium-Anoden konventionelle Batterien deutlich: Demnach wiesen die Elektroden aus dem "Carbon-coated glass derived-silicon (gSi@C)" auch nach 400 Ladezyklen noch eine Kapazität von 1.420 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm auf. Die normalerweise eingesetzten Graphitelektroden schafften nur rund 372 mAh, so die Forscher.

Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist preislicher Natur: Nach Angaben von Li kann mit einer einzelnen Glasflasche genügend nanoskaliertes Silizium gewonnen werden, um damit Elektroden für mehrere Hundert Knopfzellenbatterien oder bis zu fünf "LiPo" Lithium-Polymer-Akkus, wie Sie beispielsweise in Handys anzutreffen sind, zu fertigen.

"Wir haben ein Abfallprodukt genommen, das auf dem Weg zur Müllkippe war, und haben daraus Batterien hergestellt, die mehr Energie speichern, schneller Laden und stabiler sind als kommerzielle Knopfzellen",erläutert Li. "Somit haben wir nun einen äußerst vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien."

Das Forschungsteam um Li hat seine Ergebnisse in den Scientific Reports des Fachjournals Nature unter dem Titel Silicon Derived from Glass Bottles as Anode Materials for Lithium Ion Full Cell Batteries veröffentlicht.

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