Ein Forschungsteam vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) will in Zusammenarbeit mit der Firma RENA Technologies Anoden aus 100 Prozent 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 neuen Ansatz für aufladbare Batterien sowie für die Energiespeicherung von morgen.

Hoffnungsträger für Elektromobilität
Silizium zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität, sagt Materialwissenschaftlerin 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 400 Prozent aus und würde auf Dauer zerbrechen.

Ziel: leistungsfähige Siliziumbatterie
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 GmbH 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. Im vergangenen Jahr startete dazu das gemeinsame Forschungsprojekt „Entwicklung und Charakterisierung von grossflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (Porssi). Ziel des Projektes ist es, eine leistungsfähige Siliziumbatterie entstehen sowie ein Konzept zu ihrer kostengünstigen, industriellen Herstellung.

Text: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel