SISKA - Siliciumbasierte Energiespeicherzellen – Neuartige Kathoden und Anoden

Traditionell werden beim Laden von Lithium-Ionen Batterien (LIB) Lithium-Ionen in Graphit eingelagert. Das entspricht auch dem aktuellen Stand der Technik. Auf der Suche nach neuen Materialien, die es erlauben, die Energiedichte von Batterien zu vergrößern, fiel das Augenmerk in den letzten Jahren auf Silicium als vielversprechendem Ersatz für Graphit. Silicium bietet die Möglichkeit, im Vergleich zu Graphit mehr als die zehnfache Menge an Lithium-Ionen einzulagern. In der Praxis jedoch fällt diese vergleichsweise hohe nutzbare Kapazität bereits nach wenigen Zyklen stark ab. Im Projekt SISKA wurde erstmalig ein Verfahren demonstriert, mit dem die Degradation der Siliciumanoden deutlich reduziert werden kann. Es wurden auch erste Tests mit siliciumbasierten Materialien für neuartige Kathoden von LIB durchgeführt.

Die Arbeiten in SISKA bauten auf einem am Fraunhofer ISE neu entdeckten Verfahren zur Passivierung von Siliciumpulver mit einer graphenartigen Kohlenstoffschicht auf, welches auf diese Weise hervorragend zur Speicherung von Lithium in einer Lithium-Ionen Batterie geeignet ist.

Aus den in SISKA hergestellten Materialien wurden sogenannte Halbzellen, bei denen metallisches Lithium als Gegenelektrode dient, hergestellt und charakterisiert.

Es konnten in Folge sehr hohe gewichtsspezifische Speicherkapazitäten als auch Zyklenfestigkeiten festgestellt werden. In einem Langzeittest (mit einer auf 1200 mAh/g begrenzter Kapazität) konnten über 1300 Lade-und Entladezyklen bei voller Entladetiefe erreicht werden. Somit konnte gezeigt werden, dass die Kohlenstoffpassivierung eine für den kommerziellen Einsatz des Materials relevante Zyklenstabilität ermöglicht.

In einer ersten technoökonomischen Bewertung konnte bereits ermittelt werden, dass auch schon eine Beimengung eines solchen Siliciummaterials zu Anoden des Standes der Technik auch auf Zellebene eine signifikante Kostenreduktion verspricht, bei gleichzeitig gesteigerter spezifischer Kapazität auf Zelllevel.

In weiterführenden Arbeiten können nun auf Basis dieser Untersuchungen die Prozesse skaliert und optimiert werden. Insbesondere die Umsetzung in Vollzellen ist eine zentrale Aufgabe für kommende Forschungsprojekte.