Neue Festkörperbatterie mit Siliziumanode

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Ein neuer vielversprechender Ansatz in der Batterieentwicklung macht Hoffnung. Forscher der UC San Diego und LG Energy Solution haben eine Anode aus reinem Silizium mit einem festen Elektrolyten kombiniert. Das Ergebnis ist eine langlebige und sichere Batterie mit hoher Energiedichte.

Aussichtsreicher Ansatz

Die neue Batterie vereint zwei sehr aussichtsreiche Ansätze, nämlich feste Elektrolyten und Silizium für eine hohe Energiedichte. Der Akku sei für eine breite Palette von Anwendungen geeignet, von der Netzspeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen, heißt es in einer Mitteilung. Im Labor hielt die Zelle bei Raumtemperatur 500 Lade- und Entladezyklen durch und behielt dabei 80 Prozent ihrer Kapazität.

Bisherige Probleme mit Siliziumanoden

Siliziumanoden sind in der Batterieforschung eigentlich nichts Neues. Ihre Energiedichte ist 10-mal höher als die der heute meist verwendeten Anoden aus Graphit. In aktuellen Lithium-Ionen-Batterien werden Siliziumanoden dennoch nicht verbaut, da sie sich in Verbindung mit flüssigen Elektrolyten abbauen. Zudem dehnen sich die Siliziumteilchen beim Laden und Entladen stark aus, was im Laufe der Zeit die Kapazität der Batterie stark verschlechtert.

Es gibt zwar bereits Versuche, Anoden aus Siliziumlegierungen zu kommerzialisieren. Dabei geht es größtenteils um Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe bzw. um die Kombination nanostrukturierter Partikel mit polymeren Bindemitteln. Doch auch bei diesen Ansätzen gibt es weiterhin das Problem der mangelnden Stabilität, wenn die Anoden von flüssigen Elektrolyten durchtränkt werden.

Die Forscher an der UC San Diego verfolgten deshalb einen neuen Ansatz. Sie eliminierten das Graphit und die Bindemittel aus der Anode und nutzten reines Silizium, genauer gesagt Mikro-Silizium. Dieses ist preiswerter ist als das häufig verwendete Nano-Silizium, und zudem weniger bearbeitet.

Stabiler Elektrolyt

Die Forscher wählten außerdem einen festen Elektrolyten auf Sulfidbasis für ihre Batterie. Tests zeigten, dass dieser im Zusammenspiel mit Vollsiliziumanoden sehr stabil ist. Das ist überraschend, denn bisher galten feste Elektrolyte auf Sulfidbasis meist als sehr instabil. Dies beruhte jedoch auf den traditionellen thermodynamischen Interpretationen, die für flüssige Elektrolytsysteme verwendet wurden, teilten die Forscher mit. Dies sei der hervorragenden kinetischen Stabilität von Festelektrolyten nicht gerecht geworden. Die Forscher nutzten diese kontraintuitive Eigenschaft und schafften eine hochstabile Anode.

Schnelles Laden bei Raumtemperatur möglich

Die Siliziumanode hat noch einen großen Vorteil gegenüber der nächsten Generation von Festkörperbatterien. Diese liefern zwar ebenfalls hohe Energiedichten, doch ihre Anode basiert auf metallischem Lithium. Diese Batteriechemie erfordert eine hohe Temperatur beim Laden, normalerweise 60 Grad Celsius oder mehr.

Die Siliziumanode der UC San Diego funktioniert dagegen bei Raum- und Niedrigtemperaturen und ermöglicht viel schnellere Ladegeschwindigkeiten. „Diese neue Arbeit bietet eine vielversprechende Lösung für das Problem der Siliziumanode, auch wenn es noch mehr zu tun gibt“, sagte Professorin Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UC San Diego.

Weitere Forschung und Kommerzialisierung geplant

Die neue Batterie soll nun weiterentwickelt und kommerzialisiert werden. „Der Festkörper-Silizium-Ansatz überwindet viele Einschränkungen herkömmlicher Batterien“, sagte Darren H. S. Tan von der UC San Diego. Er ist auch CEO und Mitgründer des Start-ups UNIGRID Battery, das die Technologie für Silizium-Feststoffbatterien lizenziert hat. „Das eröffnet uns spannende Möglichkeiten, die Marktanforderungen nach höherem Energievolumen, niedrigeren Kosten und sichereren Batterien, insbesondere für die Energiespeicherung im Netz, zu erfüllen.“

Die Forschungsarbeit an der UC San Diego wird nach dem ersten Erfolg nun fortgesetzt. Hinzu kommt eine Forschungszusammenarbeit mit LG Energy Solution, die ebenfalls weiter ausgebaut werden soll. „Als führender Batteriehersteller wird LGES seine Bemühungen fortsetzen, modernste Techniken in der Spitzenforschung für Batteriezellen der nächsten Generation zu fördern“, teilte LG Energy Solution mit.

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