Silizium in Lithium-Ionen-Akkus soll für eine größere Reichweite und längere Lebensdauer sorgen

In den vergangenen Jahren wurden bereits große Fortschritte bei der Entwicklung der Elektromobilität gemacht. Was noch fehlt, sind effiziente, kleine, stabile Stromspeicher. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben neue Verfahren entwickelt, um Silizium in diesem Bereich einsetzen zu können.

Das Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH (Karlsruhe) ist mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser Technologien beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Zusammenarbeit oder Lizenzierung.

Stromspeicher sollte möglichst klein sein und eine hohe Kapazität haben
Bislang werden in Elektroautos entweder Lithium-Ionen-Akkus oder Metall-Hydrid-Akkus eingesetzt. Letztere sind zwar weniger effektiv als die Lithium-Ionen-Akkus, dafür aber wesentlich billiger.
Für mobile Anwendungen ist ein möglichst kleiner Stromspeicher mit höherer Kapazität erwünscht. Prädestiniert dafür wäre in diesem Bereich ein Lithium-Ionen-Akku mit einer Silizium-Anode. Bisher werden überwiegend Anoden aus Graphit eingesetzt.
Am Institut für Photovoltaik (IPV) der Uni Stuttgart gelang es Prof. Dr. Jürgen H. Werner und seinem Team, durch lokale Laserbestrahlung poröse und somit mikrostabilisierte Silizium-Anoden herzustellen.

Halbleiterschichten werden auf eine Metallfolie aufgebracht
Die Halbleiterschichten werden dazu durch Vakuumverfahren auf eine Metallfolie aufgebracht. Bei Bedarf werden zur Erhöhung der Materialstärke mehrere Layer nacheinander abgeschieden. Die auf diese Weise erzeugte kompakte Schicht wird durch lokale Laserbestrahlung aufgebrochen, so dass letztlich eine poröse Siliziumschicht entsteht, die anschließend mikrostabilisiert wird. Zusätzlich können durch lokales Laserbestrahlen unterschiedlich dotierte Bereiche in der Siliziumschicht erzeugt werden. Die beschichtete Folie wird abschließend metallisiert und kontaktiert.
Durch dieses Verfahren könne einfach und kostengünstig eine Batterie mit einem großen Anteil an aktivem Material und hoher Energiedichte hergestellt werden, betonen die Forscher.

Weiteres Verfahren ermöglicht hohe mechanische Belastbarkeit
Ein weiteres Verfahren wurde am Lehrstuhl II des Instituts für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart entwickelt und setzt ebenfalls am Problem der mechanischen Belastung einer Silizium-Anode in einem Li-Ionen-Akku an: Den Wissenschaftlern gelang es, eine Struktur zu entwickeln, die eine hohe mechanische Belastbarkeit auch bei mehreren hundert Ladezyklen aufweist und im Durchlaufverfahren produziert werden kann.
In diesem Verfahren wird die Oberfläche eines elektrischen leitfähigen Substrates, z. B. eine Metallfolie oder eine leitfähige Polymerfolie, mit Silizium beschichtet. Auf diese Schicht wird eine weitere, metallhaltige Schicht aus Aluminium aufgebracht. Daraufhin erfolgt eine Wärmebehandlung, und danach werden Teile der metallhaltigen Schicht an der Oberfläche über ein nasschemisches Verfahren entfernt. Nebenbei bildet sich eine konforme Aluminiumoxid-Funktionsschicht auf der nanostrukturierten porösen Silizium-Schicht, die als Anodenmaterial in einem Li-Ionen-Akku eingesetzt eine hohe Stabilität aufweist.

Patente in Europa und USA angemeldet
Erste Versuche mit dem Labormodell eines Li-Ionen-Akkus zeigten, dass die Kapazität auch nach 500 Ladezyklen stabil bei etwa 1.650 mAh/g lag, mehr als das Vierfache des für heutige Lithium-Ionen-Akkus mit Graphit-Anode Üblichen.
Die Patente für diese Erfindungen wurden in Europa und USA angemeldet. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovationen.

27.09.2016 | Quelle: Technologie Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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