Energiespeicher Silizium als neues Speichermaterial für Akkus

Ein Ätzverfahren verleiht Silizium-Scheiben eine poröse Oberfläche, die sich gut mit einer Kupferelektrode verbinden lässt.
Ein Ätzverfahren verleiht Silizium-Scheiben eine poröse Oberfläche, die sich gut mit einer Kupferelektrode verbinden lässt.

Längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Ladevorgänge – Entwicklungen wie die Elektromobilität erfordern neue Speichermaterialien für Akkus. Mit seiner enormen Speicherkapazität könnte Silizium punkten, doch die mechanische Instabilität des Materials spricht dagegen.

Ein Forschungsteam vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) will in Zusammenarbeit mit der Firma Rena Technologies Anoden aus 100 % Silizium sowie ein Konzept für ihre industrielle Herstellung entwickeln. Durch gezieltes Strukturieren der Silizium-Oberfläche auf Mikroebene können die Forscher das Speicherpotenzial von Silizium komplett ausschöpfen. Dies stellt einen vollkommen neuen Ansatz für die Akkutechnik sowie die Energiespeicherung von morgen dar.

Silizium als Anoden-Material zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität. Denn theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Akkus. Es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die Folge: Elektroautos könnten damit längere Strecken fahren, Handyakkus länger halten und das Aufladen deutlich schneller funktionieren. Ein weiterer Vorteil des Halbleitermaterials Silizium ist seine nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit.

Fokus auf Lebensdauer von Silizium-Anoden

Doch bisher war die Lebensdauer von Silizium-Anoden zu gering, um sie in Akkus einzusetzen. Grund dafür ist die hohe Empfindlichkeit des Materials. Beim Aufladen bewegen sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Silizium als das Material mit der höchsten Energiedichte nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Dadurch dehnt es sich um 400 % aus und würde auf Dauer zerbrechen.

Das Kieler Institut für Materialwissenschaft will seine bisherigen Erkenntnisse mit den von Rena Technologies in der Solartechnik gewonnenen Erfahrungen kombinieren, um ausschließlich aus Silizium bestehende Anoden für Akkus herstellen zu können. Zum Vergleich: Momentan bestehen Anoden in herkömmlichen Akkus bisher gerade einmal aus etwa 10 bis 15 % Silizium.

Im vergangenen Jahr startete dazu das gemeinsame Forschungsprojekt »Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeicher« (PorSSi), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 1 Mio. Euro gefördert wird.