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Mikro- und Nanometerstrukturanalyse von entladenen Siliziumelektroden von Si-Luft Batterien - JARA - Jülich Aachen Research Alliance
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Mikro- und Nanometerstrukturanalyse von entladenen Siliziumelektroden von Si-Luft Batterien
Silizium – Luft Batterien stellen derzeit eine interessante Entwicklungsstufe für zukünftige Anwendungen in der Batterietechnik dar [1]. Dies findet seine Ursache zum einen in der hohen theoretischen Kapazität des Siliziums, was entweder eine kleinere Bauweise im Vergleich zu heutzutage üblichen Li-Ionen Akkus zulässt oder eine wesentlich verbesserte Laufzeit. Zum anderen handelt es sich bei Silizium um einen sehr häufigen und damit kostengünstigen Rohstoff. Auch im Sinne der Umweltfreundlichkeit sind Silizium – Luft Batterien kaum zu schlagen: Da an der Kathode der allgegenwärtige Luftsauerstoff zur Reaktion verwendet wird, enthalten die Batterien keine umweltbelastenden oder toxischen Stoffe. Zudem entsteht als Reaktionsprodukt lediglich Siliziumdioxid, nichts anderes als Quarz oder Sand. Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen Batterie.
Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Si-Luft Batterie. © Fotolia.com / Forschungszentrum Jülich
Korrosion verbraucht die Si-Elektrode
Die derzeit realisierten Prototypen erreichen die theoretisch mögliche Kapazität jedoch (noch) nicht. Dies liegt vor allem an zwei Parametern: Auf Seiten des Elektrolyten, der für die Ionenübertragung zwischen den Elektroden verantwortlich ist, konnte kürzlich von Forschern am IEK-9 des Forschungszentrums Jülich ein Durchbruch erzielt werden, wodurch die Laufzeit der Silizium-Luft Batterie dramatisch erhöht werden konnte [2,3]. Das Zusammenspiel zwischen dem Elektrolyten und der Silizium-Elektrode bewirkt jedoch auch eine starke Korrosionsreaktion, die einen Großteil des zur Verfügung stehenden Siliziums der elektrochemischen Entladung entzieht. In der Arbeitsgruppe Angewandte Grenzflächenelektrochemie unter der Leitung von JARA-ENERGY Mitglied Juniorprofessor Dr. Florian Hausen wird an einem genaueren Verständnis der Korrosionsvorgänge bei gleichzeitiger Entladung geforscht. Um diese auf sehr kleiner Skala (Ein Mikrometer ist ein Millionstel Meter) im Mikro- und Nanometerbereich zu betrachten, kommt ein Rasterkraftmikroskop zum Einsatz.
Bei einem Rasterkraftmikroskop wird eine extrem feine Nadel über die zu untersuchende Oberfläche geführt. Die mechanischen Wechselwirkungen zwischen der Nadel und der Oberfläche werden detektiert und können als Oberflächenprofil dargestellt werden. Die Farbcodierung gibt dabei die Höheninformation wieder, dunkle Farben entsprechen tiefen und helle Farben hohen Bereichen. Abbildung 2 zeigt die Aufnahme einer für 20 Stunden entladenen Si-Elektrode mit dem optischen Mikroskop und dem Rasterkraftmikroskop.
Abbildung 2: Abbildung der Oberfläche einer entladenen Silizium-Elektrode in verschieden Vergrößerungen
In der Aufnahme mittels optischer Mikroskopie erkennt man eine unregelmäßige Struktur, die sich bei höherer Vergrößerung unter dem Rasterkraftmikroskop aus vielen kleinen Poren zusammengesetzt darstellt. Die blauen Quadrate und Linien zeigen, welcher Bereich im folgenden Bild mit höherer Auflösung gezeigt ist. Eine genauere Betrachtung der Poren zeigt, dass diese quadratisch sind, was auf die Kristallstruktur, also die Anordnung der einzelnen Atome in der Elektrode, zurückgeführt werden kann. Ebenso sieht man, dass die Oberfläche zwischen den Vertiefungen relativ homogen ist. Es liegt also ein anisotropes Korrosionsverhalten vor, welches dem Verhalten von Silizium auch ohne Entladung entspricht. Hierdurch wird jedoch die effektive Oberfläche, die zur Entladung zur Verfügung steht beeinflusst.
Zum weiteren Verständnis des Entladeverhaltens ist es daher unerlässlich die zeitliche Entwicklung der Korrosion während der Entladung zu verfolgen. Abbildung 3 zeigt die rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen von verschieden lang entladenen Silizium-Anoden.
Abbildung 3: Zeitliche Entwicklung der Silizium-Elektroden Oberfläche während der Entladung
Innerhalb der ersten Stunde bilden sich viele kleine der charakteristischen Vertiefungen aus, die jedoch noch nicht sehr ausgeprägt sind. Nach fünf Stunden sind einige der Strukturen deutlich tiefer geworden. Gleichzeitig sind viele, sehr kleine Erhebungen auf der Oberfläche vorhanden, erkennbar an den hellen Punkten in der Abbildung. In diesem Zeitraum fällt ebenfalls der stärkste Potentialabfall während der Entladung der Batterie.
Wenngleich es kürzlich gelungen ist, die Laufzeiten der Silizium – Luft Batterie dramatisch zu verlängern [2,3], müssen noch einige Anstrengungen unternommen werden, um die Silizium-Luft Batterie zum Erfolg zu führen. Hierzu bedarf es weiterer Forschung, um die parasitäre Korrosionsreaktion der Entladung zu unterdrücken. Ein besseres Verständnis der Oberflächenvorgänge im Mikro- und Nanometerbereich wird hierzu seinen Beitrag leisten. In der Arbeitsgruppe von Herrn Hausen wird dazu mit Unterstützung des IEK-9 des Forschungszentrums Jülich daran gearbeitet, die rasterkraftmikroskopischen Untersuchungen in-situ, also auch während die Si-Anode entladen wird, durchführen zu können.
An dieser Stelle soll den zahlreichen Mitarbeitern des IEK-9 des Forschungszentrums Jülich gedankt werden, die an diesem Vorhaben beteiligt sind. Namentlich zu erwähnen sind Thomas Beuse für die rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und Yasin Emre Durmus für die elektrochemische Charakterisierung. Vielen Dank!
[1] G. Cohn, D. Starosvetsky, R. Hagiwara, D.D. Macdonald, Y. Ein-Eli, Electrochem. Commun., 2009 11 1916
[2] Pressemitteilung auf der Website des Forschungszentrums Jülich
[3] Y.E Durmus, Ö. Aslanbas, S. Kayser, H. Tempel, F. Hausen, L.G.J. de Haart, J. Granwehr, Y. Ein-Eli, R.-A. Eichel, H. Kungl, Electrochimica Acta 2017 225 215
Juniorprofessor Dr. Florian Hausen, f.hausen@fz-juelich.de
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