Zellen mit Silizium halten mehr als 1.000 Ladezyklen aus und sorgen für Batterien mit längerer Laufzeit.

Dass ein Elektroauto mehr Kilometer zurücklegen kann, sollte nicht immer davon abhängen, dass man eine größere und schwerere Batterie einbaut. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, die Energiedichte zu erhöhen. Dabei weckt Silizium bereits seit längerem Interesse, stellt aber auch ein schwierig zu lösendes Problem dar: die Erhaltung seiner Leistungsfähigkeit nach vielen Lade- und Entladevorgängen.

Das deutsche Institut Fraunhofer ISE hat im Rahmen des Projekts StrOboBatt in diese Richtung einen Schritt unternommen. Seine Forscher haben Taschenzellen mit einer Kapazität von 25 Ah sowie anodischen Schichten, die reich an Silizium sind, entwickelt, die mehr als 1.000 vollständige Zyklen überstanden haben und dabei mehr als 83 % ihrer ursprünglichen Kapazität beibehalten haben. Ein bedeutendes Ergebnis für eine Technologie, deren Energipotenzial bisher durch ihre Degradation eingeschränkt war.

Ein vollständiger Zyklus bedeutet nicht einfach einmaliges Anschließen des Autos. Er bezeichnet das Laden und Entladen einer Energiemenge, die der gesamten Kapazität der Batterie entspricht – eine Menge, die durch mehrere teilweise Ladevorgänge aufgebaut werden kann. Deshalb ermöglicht diese Art von Prüfung die Untersuchung der Nutzungswiderstandsfähigkeit, obwohl sie allein nicht bestimmt, wie viele Jahre oder Kilometer ein in einem Auto installierter Akku halten würde.

Silizium ermöglicht den Speicher von mehr Energie, erfordert aber Kontrolle der Ausdehnung

Der Vorteil von Silizium liegt in seiner Fähigkeit, Lithium zu speichern – eine Leistung, die der des üblicherweise in Anoden verwendeten Graphits um ein Vielfaches überlegen ist. Das Problem tritt beim Aufladen auf: Sein Volumen kann um bis zu 300 % zunehmen, um anschließend beim Entladen wieder zusammenzuschrumpfen. Diese Bewegung wiederholt sich, wodurch der Elektroden stark belastet wird. Dadurch können seine internen Verbindungen beschädigt werden und Reaktionen ausgelöst werden, die das Altern beschleunigen.

Um diese Probleme zu verringern, verwendeten die Forscher ein aus Silizium und Kohlenstoff bestehendes Material in Kombination mit Graphit. Dieser Verbund macht 51 % des aktiven Materials der Anode aus – eine wichtige Präzisierung: Das bedeutet nicht, dass die Hälfte der Anode reines Silizium ist. Das Ganze wird mit einer nickelreichen NMC-Kathode kombiniert.

Einer der entscheidenden Aspekte des Experiments war der auf die Zellen ausgeübte Druck. Bei etwa 10 Bar externem Druck war das Langzeitergebnis besser als bei etwa 3 Bar. Die Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen den Materialien hilft dabei, die Folgen ihrer Volumenänderungen einzuschränken, wodurch auch die Struktur, die die Zellen hält, zu einer Herausforderung wird.

Dies hat praktische Folgen für die Hersteller. Es reicht nicht aus, ein Material zu entwickeln, das viel Energie speichern kann: Es muss in eine Batterie integriert werden, die während des Betriebs die richtigen Bedingungen aufrechterhält. Die Halteelemente, die Kühlsysteme sowie Schutzmaßnahmen nehmen ebenfalls Platz in Anspruch und sind schwer, weshalb der Vorteil einer einzelnen Zelle später im gesamten Packaging überprüft werden muss.

Die Tests zeigten außerdem einen zunehmenden Unterschied zwischen der mit sanften Entladungen gemessenen Kapazität und der Kapazität, die bei höherer Belastung der Zellen zur Verfügung stand. Dies ist ein wichtiger Aspekt für Elektroautos, bei denen die Energieanforderungen ständig wechseln. Dass eine Kapazität in einem Labortest erhalten bleibt, garantiert nicht, dass sie unter anspruchsvolleren Lastbedingungen weiterhin auf dieselbe Weise genutzt werden kann.

Die gemessene Energiedichte betrug 280 Wh/kg, während das Institut schätzt, dass ein optimierter Industriestandard etwa 330 Wh/kg erreichen könnte. Die zweite Zahl ist eine Prognose, nicht das bereits in diesen Zellen nachgewiesene Ergebnis. Dazwischen liegt eine Verbesserung von fast 18 %, was jedoch nicht automatisch zu einer 18-prozentig längeren Fahrstrecke des Autos führen würde.

Um das Potenzial zu verstehen, können wir ein einfaches Beispiel verwenden. Wenn eine zukünftige Batteriepackung es schaffen würde, von 75 auf 100 kWh zu steigen, ohne ihr Gewicht zu verändern, und das Auto denselben Verbrauch beibehielte, würde sich die Fahrstrecke um etwa 33 % erhöhen. Eine Strecke von 450 Kilometern würde dann etwa 600 Kilometer betragen. Es handelt sich dabei um eine mathematische Darstellung des angestrebten Vorteils, nicht um eine von Fraunhofer gemessene Fahrstrecke oder eine durch diesen Test garantierte Verbesserung.

Es gibt auch eine weitere, ebenso interessante Möglichkeit: Die Kapazität beizubehalten und das Gewicht der Batterie zu verringern. Für einen Käufer, der bereits ausreichende Reichweite hat, könnte diese Option nützlicher sein als weiterhin nur in der Theorie Kilometer zu sammeln. Die Entscheidung hängt davon ab, wie viel es kostet, diese Zellen herzustellen, und wie sich diese, sobald sie in ein Auto integriert sind, verhalten.

Zusätzlich bringt das Projekt eine europäische industrielle Dimension mit sich. Der Ersatz eines Teils des Graphits durch Siliziumverbindungen könnte dabei helfen, die Materialversorgung zu diversifizieren und einen Teil dieser Produktion nach Europa zu verlagern. Das schafft zwar nicht die Notwendigkeit, die Materialien mit hoher Qualität und zu wettbewerbsfähigen Preisen herzustellen, eröffnet aber einen Weg, um Abhängigkeiten zu verringern.

No ist noch Arbeit zu leisten, bevor diese Lösung in einem Produktionsmodell gefunden werden kann. Es muss nachgewiesen werden, dass sie ihre Vorteile in einem Packaging bei unterschiedlichen Temperaturen sowie über Jahre der Nutzung beibehält. Der nächste Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass diese guten Ergebnisse auch außerhalb des Labors bestehen bleiben, ohne dass das Gewicht und die Kosten zur Kontrolle der Zellen die Vorteile zunichtemachen.

Quelle | ise.fraunhofer