Größerer Aktionsradius bei derselben Masse: Siliziumbatterien bestehen Labortests.
Eine entscheidende Durchbruch in der Batterieforschung zeigte, dass Zelltypen mit siliziumreichen Anoden bei Tests mehr als 1.000 Zyklen überstehen konnten, ohne dass ihre Kapazität unter 80 Prozent fiel. Wir untersuchen die entscheidenden Faktoren sowie die Bedeutung dieses Fortschritts für Elektrofahrzeuge.
Bild: Fraunhofer ISE
Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) haben im Rahmen des Projekts „StrOboBatt“ eine selbst hergestellte 25-Ah-Taschenzelle mit siliziumreichen Anoden erfolgreich über 1.000 vollständige Lade-Entlade-Zyklen betrieben. Nach den Tests behielt die Zelle mehr als 83 Prozent ihrer Kapazität bei. Dieser Erfolg stellt einen wichtigen Meilenstein in der Batterieforschung dar: 1.000 vollständige Zyklen mit mindestens 80 Prozent Kapazitätsbeibehaltung gelten als Mindestanforderung für den kommerziellen Einsatz.
Silizium: hohe Energiedichte, aber extreme Ausdehnung
Die Pouch-Zelle zeichnet sich durch ihre siliziumreiche Anode aus, die im Vergleich zu herkömmlichen Graphitanoden eine höhere Energiedichte ermöglicht. Allerdings wird Silizium bisher noch nicht weit verbreitet als Anodenmaterial eingesetzt, da sein Volumen beim Aufladen aufgrund der Aufnahme von Lithium-Ionen um bis zu 300 Prozent ansteigt (vierfacht) und beim Entladen wieder schrumpft. Diese erhebliche Bewegung führt zum Verlust des elektrischen Kontakts innerhalb der Elektrode und beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyten. Infolgedessen verschlechtert sich die Zelle zu schnell für den praktischen Einsatz. Im Vergleich dazu dehnt sich Graphit nur um etwa 10 bis 12 Prozent aus.
Zur Verringerung des durch diese extreme Ausdehnung verursachten mechanischen Stresses verwendeten die Forscher am Fraunhofer ISE ein Silizium-Kohlenstoff-Komposit, das 51 Prozent des aktiven Materials der Anode ausmacht. In Kombination mit einer nickelreichen Kathode wurde die Taschenzelle in einer industriegroßen Pilotanlage hergestellt.
Druck und Lade Dynamik sind entscheidende Faktoren
In dem Labor wurden die Batteriezell-Prototypen während des Lade- und Entladevorgangs außerdem einem axialen Druck von 1.000 Kilopascal (ca. 10 Bar) ausgesetzt. Trotz der Bewegung des Materials blieb der Elektrodenkontakt stabil. Bei einem niedrigeren Druck von 300 Kilopascal (ca. 3 Bar) verringerte sich die nutzbare Kapazität jedoch deutlich schneller. Somit erwies sich der äußere mechanische Druck als entscheidender Parameter.
Tests unter dynamischen Bedingungen der realen Welt zeigten außerdem, dass die nutzbare Kapazität bei hohen Leistungsstufen schneller abnimmt als während sanfter Testzyklen. Dies liefert wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Anwendungen in Elektrofahrzeugen, deren Batteriemanagementsysteme diesen Faktor berücksichtigen müssen.
Die getesteten Zellen erreichten eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg. Laut Fraunhofer ISE könnte eine industriell optimierte Massenproduktion jedoch Werte von rund 330 Wh/kg erzielen. Eine Batterie mit 330 Wh/kg würde im Vergleich zu den heutigen NMC- und NCA-Zellen einen Anstieg von etwa 20 bis 35 Prozent bedeuten und fast die doppelte Energiedichte der LFP-Zellen aufweisen.
Europäische Rohstoffe für längere Reichweite
In der Praxis bedeutet das, dass ein Elektrofahrzeug bei derselben Batteriegewichtsklasse eine Speicherkapazität von fast 100 kWh statt der heutigen etwa 75 kWh aufweisen könnte. Dadurch würde die tatsächliche Reichweite eines mittelgroßen Fahrzeugs von rund 450 km auf deutlich über 600 km steigen.
Neben der erhöhten Reichweite bietet diese Technologie dem Industriezweig einen strategischen Vorteil. Da Graphit derzeit hauptsächlich aus dem Ausland importiert wird, ermöglicht die verstärkte Verwendung von Silikongemischen einen teilweisen Umzug der Rohstoffwertschöpfung nach Europa, da Silizium dort regional beschafft und synthetisch hergestellt werden kann.