Entwicklungen wie die Elektromobilität oder die Miniaturisierung von Elektronik erfordern neue Speichermaterialien für Akkus. Hier kommt Silizium ins Spiel, denn es bringt einige Vorteile gegenüber Materialien in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mit sich. So ist die Rede davon, dass längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Ladevorgänge mit Silizium-Akkus möglich sind.
Silizium – bisherige Probleme können gelöst werden
Allerdings gab es bisher ein Problem: die mechanische Instabilität des Materials machte es beinah unmöglich es für die Speichertechnologie zu nutzen. Aus diesem Grund will das Forschungsteam vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) in Zusammenarbeit mit der Firma RENA Technologies GmbH Anoden aus 100 Prozent Silizium sowie ein Konzept für ihre industrielle Herstellung entwickeln.
Gemeinsam möchte man die Oberfläche von auf Mikroebene gezielt strukturieren, um das Speicherpotenzial komplett auszuschöpfen. Hierdurch bieten sie einen völlig neuen Ansatz für aufladbare Batterien sowie für die Energiespeicherung von morgen. Für Silizium, als Hoffnungsträger für die Elektromobilität, spricht nicht nur die Tatsache, dass E-Autos damit längere Strecken fahren, Handyakkus länger halten und das Aufladen deutlich schneller funktioniert, sondern auch, dass Silizium nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde ist. Die Ressourcen sind somit nahezu unbegrenzt und kostengünstig.
„Theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Akkus. Es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde und damit eine nahezu unbegrenzte, kostengünstige Ressource.“ – Dr. Sandra Hansen Materialwissenschaftlerin
Die hohe Empfindlichkeit des Materials hat es bisher verhindert, dass es in Akkus zum Einsatz kommen konnte. Beim Aufladen bewegen sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Als das Material mit der höchsten Energiedichte, nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Dadurch dehnt es sich um 400 Prozent aus und würde auf Dauer zerbrechen. Am Kieler Institut für Materialwissenschaft wird seit fast 30 Jahren an diesem Material geforscht. Die bisherigen Erkenntnisse sollen – kombiniert mit den Silizium-Erfahrungen von RENA Technologies GmbH aus der Solartechnik – dazu beitragen, Anoden aus 100 Prozent Silizium für Akkus herzustellen.
Silizium als Basis für leistungsfähigere Batterien
So ließe sich ihr Speicherpotenzial maximal ausschöpfen. Anoden in herkömmlichen, aufladbaren Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa 10 bis 15 Prozent Silizium. Im vergangenen Jahr startete dazu das gemeinsame Forschungsprojekt „Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (PorSSi). Als Ziel hat man sich gesetzt eine leistungsfähige Siliziumbatterie zu entwickeln, sowie ein Konzept zu ihrer kostengünstigen, industriellen Herstellung.
Sowohl bei RENA Technologies GmbH als auch an der CAU ist man sich sicher, dass man von der gemeinsamen Kooperationen nur profitieren kann. Trifft hier doch jahrzehntelange Erfahrungen der Grundlagenforschung auf Erfahrungen der industriellen Prozess- und Anlagenentwicklungs-Expertise. Hierdurch wird es möglich sein, Erkenntnisse aus der universitären Grundlagenforschung schnellstmöglich in die industrielle Anwendung zu transferieren.
Quelle: Uni Kiel – Silizium als neues Speichermaterial für die Akkus der Zukunft
