Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISESilizium-Kohlenstoff-Komposite können die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien deutlich erhöhen und zugleich die Abhängigkeit von Graphit reduzieren. Im Projekt »HELIOS« validiert das Fraunhofer ISE einen neuartigen, patentgeschützten Herstellungsprozess für strukturoptimierte Si/C-Anodenmaterialien. Der Ansatz kombiniert kostengünstiges metallurgisches Silizium, biobasierte Kohlenstoffquellen und eine gezielte Hohlraumstruktur. Ziel ist sowohl der Transfer vom Labor- in den Technikumsmaßstab als auch der Nachweis der Leistungsfähigkeit in industrienahen Pouchzellen.
Silizium-Kohlenstoff-Komposite für hocheffiziente Lithium-Ionen-Batterien
HELIOS
Silizium-Kohlenstoff-Komposit als Anodenaktivmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.
Ausgangslage
Graphit ist heute das dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, besitzt jedoch eine begrenzte Speicherkapazität und ist mit geopolitischen Lieferkettenrisiken verbunden. Silizium kann theoretisch rund zehnmal mehr Lithium speichern, verändert sein Volumen beim Laden jedoch um bis zu 280 Prozent. Dadurch entstehen mechanische Spannungen, Partikelbruch und instabile Grenzflächen, die die Lebensdauer der Zellen begrenzen. Bestehende Si/C-Ansätze arbeiten häufig mit kostenintensiven CVD-Verfahren auf Basis von Silan oder mit porösen Strukturen, deren Innenflächen für den Elektrolyten zugänglich sind. Für eine industrielle Nutzung fehlt daher bislang ein kostengünstiger, sicher skalierbarer Ansatz, der hohe Kapazität und Zyklenstabilität verbindet.
Ziel
»HELIOS« soll die technische Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit eines am Fraunhofer ISE entwickelten Si/C-Anodenaktivmaterials validieren. Dazu wird der Herstellungsprozess von derzeit 50 Gramm auf bis zu 5 Kilogramm Endprodukt pro Batch übertragen und hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Materialqualität bewertet. Parallel wird das Material in industrienahen 5- und 25-Ah-Pouchzellen getestet. Angestrebt werden eine spezifische Kapazität von mehr als 1200 mAh/g Si/C, eine initiale Coulomb-Effizienz von über 85 Prozent und mindestens 80 Prozent Kapazitätserhalt nach 700 Zyklen. Zudem soll die Energiedichte gegenüber Graphitreferenzzellen je nach Zellkonfiguration um mindestens 15 beziehungsweise mehr als 30 Prozent steigen.
Lösungsansatz
»HELIOS« setzt auf ein neuartiges Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterial, dessen gezielt optimierte Partikelstruktur die starken Volumenänderungen des Siliziums beim Laden und Entladen abfedern soll. Dadurch sollen hohe spezifische Kapazität, lange Lebensdauer und eine stabile Zellperformance miteinander verbunden werden. Gleichzeitig ist der Herstellungsansatz auf kostengünstige Ausgangsmaterialien, eine möglichst nachhaltige Prozessführung und eine spätere industrielle Skalierbarkeit ausgelegt. Im Projekt wird die Herstellung vom Labor- in den Technikumsmaßstab übertragen und das Material anschließend in industrienahen Pouchzellen validiert.
Förderung
Das Projekt »HELIOS« wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert.
