NESSI – Neuartige Si-Anoden für Solid-State-Lithium-Ionen-Batterien

Laufzeit: 09/2020 - 08/2022
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Vector Stiftung
Projektfokus:
Website: Vector Stiftung
Arbeiten an Solid-State-Lithium-Ionen Batterien in einer Glovebox
© Fraunhofer ISE/Dirk Mahler
Arbeiten an Solid-State-Lithium-Ionen Batterien in einer Glovebox.

Bei herkömmlichen Lithium-Ionen Batterien besteht grundsätzlich die Gefahr eines „thermischen Durchgehens“ durch die Verwendung von flüssigen Elektrolyten. Bei Übergang zu festen Elektrolyten wird somit die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien substantiell erhöht. Um auch die Energiedichte zu erhöhen, wird der Einsatz von Lithium-Metall als Anode verfolgt. Dies birgt jedoch noch einen hohen Entwicklungsbedarf. Silicium, welches intensiv für Batterien mit flüssigen Elektrolyten erforscht wird, bietet hier ein Potenzial zu einer Steigerung der Energiedichte gegenüber herkömmlichen Anodenmaterialien (Graphit). Im Rahmen von NESSI soll eine Silicium-basierte Anode mit sulfidischem Festkörperelektrolyten kombiniert werden.

Silicium bietet als Anodenmaterial für Lithium-Ionen Batterien vergleichsweise hohe Kapazitäten. So kann die (volumetrische) Energiedichte z.B. durch Austausch des zur Zeit üblichen Anoden-Materials Graphit mit Materialien auf Basis von Silicium substantiell erhöht werden. Dies stellt einen Zwischenschritt zu Lithium-Metall als Anode dar, mit welchem man eine weitere Steigerung der Energiedichte erreicht werden kann. 

Es wird erwartet, dass noch einige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu leisten sind, bis Lithium als Anode in Verbindung mit festen Ionenleitern mit ausreichend hoher Ionenleitung auch bei niedrigen Temperaturen großtechnisch eingesetzt werden kann.  Die Verwendung von siliciumbasierten Anoden kann hier sehr wertvolle technologische Zwischenstufe darstellen.

Dabei müssen jedoch spezifische Probleme gelöst werden, die die Verwendung von Silicium als Anodenmaterial mit sich bringt. Dies ist insbesondere die große Volumenänderung des Siliciums während des Ladens und Entladens der Batterie.

In diesem Vorhaben werden innovative Lösungsansätze verfolgt, Siliciummaterialien mit sulfidischen Festelektrolyten zu kombinieren. Dabei werden siliciumbasierte Partikel in eine Matrix aus einem festen Ionenleiter eingebettet. Die Verwendung von Sulfid-basierten Ionenleitern erlaubt die Herstellung von sog. „All-Solid-State“ Batterien in Druckprozessen, wie sie in ähnlicher Form auch aktuell zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.

Mit dem Forschungsprojekt »NESSI« soll dabei die prinzipielle Machbarkeit eines solchen Prozesses demonstriert werden.