Silizium für Super-Akkus der Zukunft

Silizium für Super-Akkus der Zukunft

Silizium zählt zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität. Denn das chemische Element verfügt über eine enorme Speicherkapazität. Forscher der Universität Kiel entwickeln eine neuartige Siliziumanode für einen Lithium-Ionen-Akku.

Energiespeicher | Von Angela Schmid

Längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Ladevorgänge – so sehen die Träume von Elektromobilisten aus. An dieser Stelle kommt Silizium ins Spiel. Das chemische Element kann aus einem normalen Lithium-Ionen Akku einen Super-Akku machen. Das liegt an seiner enormen Speicherkapazität. "Es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien", erklärt Dr. Sandra Hansen.

Die Materialwissenschaftlerin der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist von den Möglichkeiten begeistert: "Silizium zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität."

Das Halbmetall steht zudem fast unbegrenzt zur Verfügung, da herkömmlicher Sand fast ausschließlich aus Siliziumoxid besteht. "Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde und damit eine nahezu unbegrenzte, kostengünstige Ressource", sagt Hansen. Das Problem sei bisher jedoch, dass Silizium instabil und somit als Akku völlig ungeeignet sei. Beim Aufladen bewegen sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Silizium, als das Material mit der höchsten Energiedichte, nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Dadurch dehnt es sich um 400 Prozent aus und zerfällt komplett.

Laden ist dann nicht mehr möglich. Hansen und ihre Kollegen vom Institut für Materialwissenschaft an der CAU wollen dafür eine Lösung finden. Durch gezieltes Strukturieren der Oberfläche auf Mikroebene, kann das Team das Speicherpotenzial von Silizium komplett ausschöpfen. Damit bieten sie einen völlig neuen Ansatz für aufladbare Batterien sowie für die Energiespeicherung von morgen.

Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend. Hansen entwickelte eine neuartige Siliziumanode für einen Lithium-Ionen Akku. 500 Ladungen und Entladungen schaffte der Akku mit dieser Elektrode – die Ladegeschwindigkeit beträgt nur zwölf Minuten.  Im Gegensatz zu mehreren Stunden bei einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku. Auch die Kapazität von 3150 mAh/g ist beeindruckend. "Dies entspricht dem Zehnfachen der Kapazität einer herkömmlichen Graphit-Anode", erklärt die Wissenschaftlerin. Ein weiterer Vorteil: Der Akku brennt nicht.

Suche nach passendem Kathodenmaterial

In den kommenden drei Jahren sollen die Elektroden hochskaliert und die notwendigen Maschinen sowie ein Konzept für ihre industrielle Herstellung mit dem Maschinenbau-Unternehmen RENA Technologies entwickelt werden. Bevor der revolutionäre Akku marktreif ist, brauchen die Anoden allerdings noch die passenden Kathodenmaterialien. Die Wissenschaftler planen, dafür Schwefel zu nutzen. Hansen: "Eine Schwefelkathode bietet die maximal mögliche Speicherkapazität. Wir kombinieren in diesem Projekt also zwei Materialien, die eine wirklich hohe Leistungsfähigkeit der Batterie versprechen."

Am Kieler Institut für Materialwissenschaft wird seit fast 30 Jahren an Silizium geforscht. Die bisherigen Erkenntnisse sollen – kombiniert mit den Silizium-Erfahrungen von RENA Technologies aus der Solartechnik – dazu beitragen, Anoden aus 100 Prozent Silizium für Akkus herzustellen. So ließe sich ihr Speicherpotenzial maximal ausschöpfen. Anoden in herkömmlichen, aufladbaren Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa 10 bis 15 Prozent Silizium.

"Um die Zyklenfestigkeit von Siliziumbatterien zu erhöhen, müssen wir genau verstehen, was passiert, wenn sie sich beim Laden ausdehnen", so die Wissenschaftlerin. In ihrer Doktorarbeit fand sie heraus, dass sich Silizium weitaus flexibler verhält, wenn es in Form eines dünnen Drahtes hergestellt wird und somit der hohen Volumenausdehnung besser standhalten kann. Diese Erkenntnisse werden nun auf poröses Silizium übertragen – sein freies Volumen lässt mehr Raum zum Ausdehnen.

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