Warum dauert das Laden bei größeren Akkus paradoxerweise länger?

Wird es 2026 wirklich noch Notwendigkeit geben, ein Powerbank zu haben?

Kürzlich hat Honor ein neues Smartphone vorgestellt, dessen Batteriekapazität inzwischen auf 10.000 mAh gestiegen ist. Auch bei einigen anderen neuen Geräten sollen die Gerüchte von über 8.000 mAh stimmen.

Theoretisch müssten wir also keine Powerbanks mehr benötigen.

Es hat uns von der Zeit der Universal-Ladegeräte, als eine Batterie nur einige hundert Milliampere-Stunden hatte, bis hin zu den nicht austauschbaren Batterien gut ein paar Jahrzehnte gedauert, bis wir die Kapazität von 2.000 oder 3.000 mAh auf 5.000 mAh steigern konnten.

Aber in den letzten zwölf Monaten hat sich die Batterietechnologie so rasant entwickelt, dass wir kaum mitkommen konnten, wie die Kapazität auf 10.000 mAh gestiegen ist.

Tatsächlich war die Batteriebranche in Bezug auf Graphitmaterialien fast ein Jahrzehnt lang an der Stelle geblieben. Der Hauptgrund dafür ist, dass das Adsorptionsvermögen von Graphit auf 372 mAh/g begrenzt ist. In den letzten Jahren haben die Ingenieure es auch nur geschafft, es auf etwa 360 mAh/g zu bringen, auch wenn sie die Technologie bis an die Grenzen getrieben haben.

Es ist wie eine vollgefüllte Flasche: Egal, wie viel Oberflächenbehandlung oder Strukturoptimierung man vornimmt, sie kann nur eine begrenzte Menge Wasser aufnehmen.

Solange wir also weiterhin Graphit verwenden, wird die Batteriekapazität nicht weiter steigen. Die Hersteller haben deshalb erkannt, dass es keine Lösung ist, an der alten Technologie herumzudoktern. Sie mussten also einen neuen Ansatz finden, und so wurde das Material Silizium wieder in den Vordergrund gerückt.

Silizium hat sehr beeindruckende theoretische Daten: Seine Kapazität beträgt 4.200 mAh/g, was mehr als elf Mal so viel wie bei Graphit ist.

Was ist nun der grundlegende Unterschied zwischen Silizium-Kohlenstoff-Batterien und unseren bisherigen Batterien?

Zunächst einmal verwendet die herkömmliche Graphit-Anode einen „Einlagerungs-Energiespeicher-Mechanismus“.

Lithium-Ionen werden durch physikalische Einlagerung in die Schichtgitterzwischenräume von Graphit gespeichert. Dies ist jedoch auf die Kristallstruktur von Graphit beschränkt. Theoretisch kann jedes sechste Kohlenstoffatom nur ein Lithium-Ion fangen. Daher ist die Kapazitätsgrenze relativ niedrig und schwer zu überwinden.

Die Silizium-Kohlenstoff-Anode hingegen verwendet einen „Verguss-Energiespeicher-Mechanismus“.

Silizium speichert Energie, indem es mit Lithium-Ionen eine chemische Reaktion eingeht und Lithium-Silizium-Legierungen bildet. Theoretisch kann jedes Silizium-Atom 4,4 Lithium-Ionen binden. Diese Art der Bindung auf Atom-Ebene erhöht die Effizienz, mit der Silizium Lithium-Ionen fängt, exponentiell und bricht somit die Kapazitätsgrenze von Graphit.

Wenn Silizium also so gut ist, warum wurde es früher nicht verwendet?

Das Kernproblem ist eins: Die starke Volumenvergrößerung beim Laden!

Beim Laden und Entladen ändert sich das Volumen von Graphit nur um 10 bis 12 Prozent, was sehr stabil ist. Aber wenn Silizium voll geladen ist, expandiert sein Volumen um das Dreifache. Diese Expansion und Kontraktion führt zu großen Problemen: Zunächst werden die Siliziumpartikel zerrissen und zerfallen in Bruchstücke, wodurch der Kontakt mit den leitenden Bahnen in der Batterie unterbrochen wird und die Batterie keine Energie mehr speichern kann. Die Kapazität der Batterie sinkt somit rapide.

Was noch schwieriger zu handhaben ist, ist die SEI-Schicht (feste Elektrolytgrenzfläche) auf der Oberfläche von Silizium, die die Batterie schützt. Diese Schicht wird immer dicker, wenn sich das Silizium wiederholt ausdehnt und zusammenzieht. Dieser Prozess verbraucht eine große Menge an Elektrolyt und Lithium-Ionen. Dies führt nicht nur zu einem höheren Innenwiderstand und stärkerer Wärmeentwicklung der Batterie, sondern auch dazu, dass die Batterie nach kurzer Zeit nicht mehr funktioniert.

Wie kann man also Silizium in Handy-Batterien einsetzen, obwohl es so viele physikalische Mängel hat?

Das ist vor allem auf vier Schlüsseltechnologien zurückzuführen, die die Branche in den letzten zwei Jahren entwickelt hat, um die Eigenschaften von Silizium zu nutzen.

1. Um das Problem der Expansion zu lösen, hat die Branche lange gesucht. Erst seit 2023 haben Gerätehersteller wie Suzhou New Material Co., Ltd. eine Schlüsseltechnologie verbreitet: die Nanokohlenstoff-Beschichtungstechnologie. Vereinfacht gesagt, wird das Silizium „eingekleidet“.

Diese Technologie nutzt die CVD-Gasphasenabscheidungstechnologie, um Silan-Gas in ein poröses Kohlenstoffgerüst einzuleiten, das wie ein Schwamm aussieht. Dadurch werden die Siliziumatome direkt in den Poren des Kohlenstoffs abgeschieden. Dies ist wie ein fester Raum für die unruhigen Siliziumatome. Mit dieser Kohlenstoffbeschichtung wird die Expansion des Siliziums innerhalb des Gerüsts begrenzt, so dass die Struktur nicht zerstört wird. Gleichzeitig sorgt das Kohlenstoffnetzwerk für die elektrische Leitfähigkeit, damit die Batterie stabil funktioniert.

Genau diese Technologie hat die Kosten gesenkt und somit die Verbreitung von Großbatterien ermöglicht.

2. Um dem Bruch der SEI-Schicht und dem Verbrauch von Elektrolyt aufgrund der Expansion von Silizium entgegenzuwirken, haben Technologielösungen wie die vivo Blue Ocean Battery den Elektrolyten verbessert. Sie verwenden ein „fest-flüssiges Gemisch“ oder ein „in-situ-Aushärtungsverfahren“, auch bekannt als Halbfeststoff-Batterietechnologie.

Durch die Einbringung von Polymeren in den Elektrolyten wird ein mikroskopisches Polymernetzwerk aufgebaut.

Dieses Netzwerk begrenzt nicht nur die Bewegung des Lösungsmittels und reduziert Nebenreaktionen, sondern bietet auch mechanische Stabilität wie ein Gel, um die Expansion der Siliziumpartikel physikalisch abzufedern.

3. Silizium ist ein Halbleiter und hat eine viel schlechtere elektrische Leitfähigkeit als Graphit.

Um sicherzustellen, dass der Strom in der Batterie reibungslos fließt, hat die Lieferkette vollständig auf einwandige Kohlenstoffnanoröhren umgestellt. Hierbei ist das chinesische Unternehmen Tiannai Technology ein Beispiel.

Einfach ausgedrückt, bilden die Kohlenstoffnanoröhren ein hochleitfähiges neuronales Netzwerk in der Batterie, das die verstreuten Siliziumpartikel zusammenhält. Dies ist ein entscheidender Faktor, damit Großbatterien ordnungsgemäß funktionieren können.

4. Die Silizium-Anode hat noch ein weiteres Problem: Sie verbraucht während des Ladevorgangs eine große Menge an Lithium, was zu einem dauerhaften Kapazitätsverlust führt.

Um diesen Verlust auszugleichen, hat ein Unternehmen wie CATL die Vorlithiierungstechnologie eingeführt.

Dies ist ein sehr schwieriges Verfahren, das darin besteht, vor der Auslieferung der Batterie einen Teil des aktiven Lithiums in die Anode einzuspritzen. Das Hauptziel ist es, die Lithium-Ionen auszugleichen, die beim ersten Laden für die Bildung der SEI-Schicht und bei irreversiblen Reaktionen verbraucht werden.

So konnten nun Großbatterien auf den Markt gebracht werden. Aber mit der zunehmenden Batteriekapazität hat sich ein interessantes Phänomen gezeigt: Die Hersteller, die vor einigen Jahren noch um die schnellsten Ladegeschwindigkeiten rangen, haben plötzlich damit aufgehört, über ihre Ladeleistungen zu schwärmen.

Früher konnten wir noch Smartphones mit Ladeleistungen von über 200 Watt oder sogar Konzeptgeräte mit 320 Watt sehen. Damals waren die Hersteller so verrückt nach schnellen Ladezeiten, dass sie alles andere außer Acht ließen. Aber in den letzten zwei Jahren hat die Ladeleistung der neuen Smartphones meist auf unter 120 Watt zurückgegangen.

Warum wird die Ladezeit also länger, obwohl die Batterie größer geworden ist? Es gibt zwei Hauptgründe dafür.

Der erste Grund liegt im Siliziummaterial selbst.

Wir wissen alle, dass Graphit ein guter Leiter ist und die Elektronen sehr schnell fließen können. Silizium hingegen ist ein Halbleiter und hat eine viel schlechtere elektrische Leitfähigkeit als Graphit. Laut dem Jouleschen Gesetz (Wärme ist gleich dem Quadrat des Stroms mal dem Widerstand), das schon in der zweiten Klasse der Grundschule gelehrt wird, entsteht bei einem hohen Ladestrom aufgrund des höheren Widerstands von Silizium eine große Menge an Wärme. Wenn man versucht, eine Batterie mit Siliziummaterial mit einer sehr hohen Leistung zu laden, wird die Batterie wie ein „Druckkochtopf“ und die Temperaturregelung kann die Hitze nicht mehr beherrschen.

Der zweite Grund ist, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Lithium-Ionen in Siliziummaterialien sehr langsam ist.

Wir können uns das Laden einer Batterie wie den Einstieg in die U-Bahn während der Stoßzeit vorstellen: Eine Schnellladung mit hoher Leistung ist wie eine vollbesetzte U-Bahn, die am Bahnhof ankommt und tausende von Passagieren (Lithium-Ionen) auf einmal ausstößt, die wild auf die Ausgänge zustürmen. Die innere Struktur der Silizium-Anode hingegen ist wie eine alte U-Bahnstation, bei der nur ein Schalter geöffnet ist. Die Kapazität, um die Passagiere (Lithium-Ionen) aufzunehmen, ist sehr gering (niedriger Diffusionskoeffizient).