Am 1. September startet das Forschungsvorhaben, das vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt einer Millionen Euro gefördert wird, rund 500‘000 davon gehen an die CAU. Kieler Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler verbinden in dem Projekt „Entwicklung und Charakterisierung von grossflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (PorSSi) ihre Forschungserkenntnisse zu porösen Siliziumanoden mit Erfahrungen aus der Solartechnik. So soll in den nächsten drei Jahren nicht nur eine hochleistungsfähige Siliziumbatterie entstehen, sondern in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller für die Halbleiter- und Solarbranche auch ein Konzept, um sie in grossem Massstab industriell herzustellen.
Theoretisch das beste Material
„Die ganze regenerative Energie wartet auf die bessere Batterie“, sagt Dr. Jürgen Carstensen vom Institut für Materialwissenschaft. Mit ihrem Projekt zur Siliziumbatterie will die Kieler Forschungsgruppe dem einen grossen Schritt näherkommen. CAU-Projektleiterin Sandra Hansen ergänzt: „Theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Batterien, allerdings bringt es zahlreiche Probleme mit sich. Aber durch unsere bisherigen Forschungen haben wir gelernt, mit diesen Störfaktoren umzugehen.“ Silizium zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität, denn es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als die Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Doch die Lebensdauer von Siliziumanoden war bisher zu gering: Beim Laden der Batterie dehnt sich das Silizium extrem stark um 400 Prozent aus und kann dadurch leicht brechen.
Aus 100 Prozent Silizium
Am Kieler Institut für Materialwissenschaft der Technischen Fakultät wird schon lange zu Silizium geforscht. Seit Anfang der 1990er Jahre unter Gründungsdekan Professor Helmut Föll arbeiten Forschungsgruppen an Siliziumanoden und stellen poröses Silizium und Siliziummikrodrähte her. Die Erkenntnisse daraus fliessen in das neue Forschungsprojekt PorSSi ein. Am Ende sollen die Batterien der Kieler Forschenden 100 Prozent Silizium enthalten und das Energiepotenzial von Batterien damit maximal ausschöpfen. Herkömmliche Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa 5 Prozent Silizium. Die Kathode in ihrer Batterie, den Gegenpart zur Anode, will das Team aus Schwefel herstellen. „Eine Schwefelkathode bietet die maximal mögliche Speicherkapazität. Wir kombinieren in diesem Projekt also zwei Materialien, die eine wirklich hohe Leistungsfähigkeit der Batterie versprechen“, sagt Hansen. Ausserdem hat die Materialwissenschaftlerin eine Methode aus der Solarbranche weiterentwickelt, um die Qualität und Funktionsfähigkeit der Siliziumschichten in der Batterie zu verbessern.
Hohe Lebensdauer und industriell herstellbar
Innerhalb der Kooperation von CAU und RENA als Experten für nass-chemische Ätz-und Beschichtungsanlagen werden die „jahrzehntelange Erfahrung der CAU-Grundlagenforschung höchst effizient mit der industriellen Prozess- und Anlagenentwicklungs-Expertise von RENA vereint“, betont Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President Technology der RENA Technologies GmbH. So soll eine leistungsfähige Siliziumbatterie mit hoher Lebensdauer entstehen, die industriell hergestellt werden kann. Professor Rainer Adelung leitet die Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU, in der viele der bisherigen Erkenntnisse gewonnen wurden. Auch er freut sich über die Zusammenarbeit: „Wir entwickeln und realisieren hier Ideen mit einem der weltweit führenden Anlagenhersteller. So bekommen wir Erkenntnisse aus der universitären Grundlagenforschung schnellstmöglich in die industrielle Anwendung – das ist wirklicher Innovationstransfer.“
Legenden Bilder und Grafiken links oben
- Oberstes Bild: 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.
- Unterstes Bild: Nach der grossflächigen Ätzung der Siliziumscheiben werden sie per Laser charakterisiert. Dabei kann es zu Wechselwirkungen mit dem Material kommen. Auf der Oberfläche entstehen dabei Wellen und Ringe (siehe Bildmitte), die die Leistung der späteren Siliziumanode einschränken. Mit einer verbesserten Qualitätskontrolle will das Kieler Team den Herstellungsprozess optimieren. Hier ist eine Aufnahme mit der sogenannten CELLO-Lasertechnik zu sehen, die die Siliziumscheibe rein optisch und ohne Beschädigungen ortsaufgelöst untersucht. Die verschiedenen Farben entstehen durch unterschiedliche Reflexionen des Laserlichts beim Abscannen der Oberfläche. Die Ergebnisse dazu erschienen im Journal of The Electrochemical Society.
Text: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)
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