Sili­zi­um als neu­es Spei­cher­mate­ri­al

Sandra Hansen stellte ihren Ansatz zur Herstellung von Siliziumanoden auf der Hannover Messe vor. (Bild: C. Eulitz, CAU)

Längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Lade­vorgänge – Entwick­lungen wie die Elektro­mobilität oder die Miniaturi­sierung von Elektronik erfordern neue Speicher­materialien für Akkus. Mit seiner enormen Speicher­kapazität hätte Silizium entschei­dende Vorteile gegenüber Materi­alien in herkömm­lichen Lithium-Ionen-Batterien. Doch aufgrund seiner mechanischen Instabi­lität war es bisher kaum möglich, Silizium für die Speicher­technologie zu nutzen. Ein Forschungs­team vom Institut für Material­wissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) will in Zusammen­arbeit mit der Firma Rena Techno­logies Anoden aus reinem Silizium sowie ein Konzept für ihre indus­trielle Herstellung entwickeln. Durch gezieltes Struktu­rieren ihrer 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.

Beim Laden der Batterie dehnt sich Sili­zium um 400 % aus, das empfind­liche Material könnte dabei zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von solchen Mikro­drähten, aber diese Art der Her­stel­lung ist noch zu teuer für die indus­tri­elle Produk­tion. (Quelle: CAU, S. Hansen)

Silizium zählt schon lange zu den Hoffnungs­trägern für die Elektro­mobilität, sagt Material­wissen­schaft­lerin Dr. Sandra Hansen. „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.“ Elektro­autos könnten damit längere Strecken fahren, Handy­akkus länger halten und das Aufladen deutlich schneller funktionieren. Ein weiterer Vorteil des Halb­metalls ist seine unbe­grenzte Verfügbarkeit, immerhin besteht herkömm­licher Sand fast ausschließ­lich aus Silizium­oxid. „Silizium ist nach Sauer­stoff das zweit­häufigste Element der Erde und damit eine nahezu unbe­grenzte, kosten­günstige Ressource“, so Hansen weiter.

Doch bisher war die Lebensdauer von Silizium­anoden zu gering, um sie in Akkus einzusetzen. Grund ist die hohe Empfind­lich­keit des Materials. 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 das Vier­fache aus und würde auf Dauer zerbrechen.

Am Kieler Institut für Material­wissen­schaft wird seit fast dreißig Jahren an Silizium geforscht. Die bisherigen Erkennt­nisse sollen – kombiniert mit den Silizium-Erfahrungen von Rena aus der Solar­technik – dazu beitragen, Anoden aus hundert 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. Im vergangenen Jahr startete dazu das gemeinsame Forschungs­projekt „Entwicklung und Charakte­risierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (PorSSi), das das BMBF mit insgesamt einer Million Euro fördert. Ziel des Projekts ist es, eine leistungsfähige Silizium­batterie entstehen sowie ein Konzept zu ihrer kosten­günstigen, industri­ellen Herstellung.

Aus Silizium­scheiben wie dieser stellt das Kieler Forschungs­team Anoden für ihre neuartigen Silizium­batterien her. Ein Ätz­verfahren verleiht den ursprünglich blanken Scheiben eine poröse Oberfläche – und einen bunten Schimmer. Die poröse Silizium­schicht lässt sich besonders gut mit einer Kupfer­elektrode verbinden. Die so entstandene hauch­dünne Anode kann wie eine Folie abgezogen werden. (Quelle: CAU, J. Siekmann)

„Die Kooperation von CAU und Rena vereint die jahrzehnte­langen Erfah­rungen der Grund­lagen­forschung höchst effizient mit der indus­triellen Prozess- und Anlagen­entwicklungs-Expertise“, betont Dr. Holger Kühn­lein, Rena Senior Vice Presi­dent Techno­logy. „So bekommen wir Erkennt­nisse aus der univer­sitären Grund­lagen­forschung schnellstmöglich in die industrielle Anwendung“, ergänzt Rainer Adelung, Leiter der Arbeits­gruppe Funk­tionale Nano­materi­alien an der CAU, in der viele der bisherigen Erkennt­nisse zu Silizium gewonnen wurden. Adelung: „Das ist wirk­licher Inno­vations­transfer.“ (Quelle: CAU)

Links: Projekt„Entwicklung und Charakte­risierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energie­speichern (PorSSi)“, Lst. Functional Nanomaterials (R. Adelung), Technische Fakultät, Christian-Albrechts-Univer­sität zu Kiel (CAU) • RENA Techno­logies GmbH, Gütenbach

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