Poröse Siliziumschichten für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Akkus sind für die Energie- und Mobilitätswende von großer Bedeutung. Denn sie weisen im Vergleich zu anderen Batterien höhere Energiedichten auf. Daher sind sie zum Beispiel in mobilen Geräten, Uhren und insbesondere im Bereich der Elektromobilität zu finden. Obwohl die Technologie gut entwickelt ist, werden aktuell viele Anstrengungen zur Optimierung der Zellen unternommen. Am Fraunhofer FEP in Dresden haben Forscher in den letzten Jahren einen Produktionsprozess für poröse Siliziumschichten als Anodenmaterial zur Erzielung besonders hoher Energiedichten für Anwendungen in Elektrofahrzeugen entwickelt.

Zink und Silizium werden auf Metallsubstraten abgeschieden

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Anordnung diverser Schichten mit unterschiedlichen Funktionen. So sind Kathode und Anode die beiden Elektroden der Batterie und Elektrolyte die leitfähigen Materialien, die die Pole im Inneren der Zelle miteinander elektrisch verbinden. Um die Eigenschaften der Batterie im Hinblick auf tragbare mobile Geräte und die Elektromobilität weiter zu verbessern, wird derzeit verstärkt an den zur Anwendung kommenden Materialien und den Produktionsprozessen geforscht. Dabei sollen die Batterien nachhaltig und kostengünstig in großer Menge produziert werden können.

Grafik: Aufbau einer Lithium Batterie mit porösem SiliziumGrafik: Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie

Im Projekt PoSiBat wurde ein umweltschonendes Verfahren für die Herstellung von porösen Siliziumschichten als Anodenmaterial entwickelt. Allerdings führen Lade- und Entladevorgang zu einer enormen Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Siliziums und daher schnell zu einer mechanischen und elektrochemischen Zerstörung des Materialverbunds und so zum Zellversagen. „Wir haben einen Prozess entwickelt, bei dem zeitgleich Silizium und Zink auf Metallsubstraten abgeschieden werden. Durch eine anschließende Wärmebehandlung verdampft der Zinkanteil aus der Schicht und hinterlässt eine poröse Struktur im Silizium, die Platz für dessen Ausdehnung im Ladeprozess bietet und somit den Kapazitätsverlust minimiert. Durch die Prozessparameter lässt sich die poröse Struktur manipulieren und auf die konkrete Batterieanforderung optimieren. Das Zink lässt sich dabei auffangen und perspektivisch im Prozess wiederverwenden,“ erläutert Dr. Stefan Saager vom Fraunhofer FEP die Ergebnisse der Entwicklung.

Die porösen Siliziumschichten zeigen hinsichtlich ihrer Batterieperformance eine initiale Ladekapazität über 3.000 mAh/gSi und eine vergleichsweite gute Zyklenstabilität. Die Expertise des Fraunhofer FEP liegt in der Beschichtung von Metallsubstraten und -folien mit Zink und Silizium, die mit sehr hohen Beschichtungsraten in herkömmlichen nicht toxischen Vakuumprozessen möglich ist. Diese Prozesse ermöglichen einen hohen Durchsatz und geringe Herstellungskosten. Im Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS wurden die hergestellten Schichten hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften charakterisiert.

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