Mehr Reichweite bei gleichem Gewicht: Silizium-Akku besteht Labortest

Entscheidender Erfolg bei der Batterieforschung: Folienzellen mit siliziumreichen Anoden meisterten im Test über 1.000 Zyklen ohne unter 80 Prozent ihrer Kapazität zu fallen. Welche Parameter eine wichtige Rolle spielen und was der Fortschritt für E-Autos bedeutet, hier.

Bild: Fraunhofer ISE

Forschenden am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ist es im Rahmen des Projekts „StrOboBatt“ gelungen, eine selbstgefertigte 25-Ah-Folienzelle mit siliziumreichen Anoden über mehr als 1.000 Vollzyklen zu betreiben. Nach dem Test besaß die Zelle noch eine Restkapazität von mehr als 83 Prozent. Damit hat das Forschungsprojekt eine wichtige Marke bei der Batterieentwicklung erreicht: 1.000 Vollzyklen bei mindestens 80 Prozent Kapazitätserhalt gelten als Mindestanforderung für den kommerziellen Einsatz.

Silizium: hohe Energiedichte, aber extreme Ausdehnung

Das Besondere an der Folienzelle ist ihre siliziumreiche Anode, denn sie ermöglicht eine gesteigerte Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Graphit-Anoden. Bisher kann Silizium als Anodenmaterial allerdings nicht eingesetzt werden, da sich sein Volumen beim Laden durch die Aufnahme von Lithium-Ionen um bis zu 300 Prozent ausdehnt (Vervierfachung) und beim Entladen wieder zusammenschrumpft. Diese starke Bewegung führt zum Verlust des elektrischen Kontakts innerhalb der Elektrode und verursacht eine schnellere Zersetzung des Elektrolyten. Die Konsequenz ist eine zu schnelle Alterung der Zelle, um sie praktisch nutzen zu können. Zum Vergleich: Graphit dehnt sich nur um etwa zehn bis zwölf Prozent aus.

Um die mechanische Belastung durch die starke Ausdehnung zu verringern, setzten die Forschenden am Fraunhofer ISE ein Silizium-Kohlenstoff-Komposit ein, das 51 Prozent des Anodenaktivmaterials ausmacht. Zusammen mit einer nickelreichen Kathode fertigte man die Folienzelle auf einer industrienahen Pilotlinie.

Druck und Ladedynamik entscheidende Faktoren

Im Labor wurden die Batteriezellen-Prototypen während des Ladens und Entladens zudem einem axialen Druck von 1.000 Kilopascal (ca. 10 bar) ausgesetzt. Dabei blieb der Elektrodenkontakt trotz der Bewegung des Materials stabil. Bei einem geringeren Druck von 300 Kilopascal (ca. 3 bar) nahm die nutzbare Kapazität hingegen deutlich schneller ab. So erwies sich der mechanische Anpressdruck von außen als entscheidender Parameter.

Zudem zeigte sich bei den Tests unter dynamischer Alltagsbelastung, dass die nutzbare Kapazität bei hoher Leistung früher abfällt als bei schonenden Testzyklen. Das gibt einen wichtigen Hinweis für den künftigen Einsatz in E-Autos, deren Batteriemanagementsysteme dies berücksichtigen müssen.

Die getesteten Zellen erreichten eine gravimetrische Energiedichte von 280 Wh/kg. Das Fraunhofer ISE erklärt jedoch, dass bei einer industriell optimierten Serienfertigung rund 330 Wh/kg erreichbar werden können. Ein Akku mit 330 Wh/kg würde ein Plus von etwa 20 bis 35 Prozent gegenüber heutigen NMC- und NCA-Zellen und fast eine Verdopplung gegenüber LFP-Zellen bedeuten.

Europäische Rohstoffe für mehr Reichweite

Übertragen auf die Praxis heißt das: Ein E-Auto könnte mit demselben Batteriegewicht statt heute etwa 75 kWh künftig knapp 100 kWh Speicherkapazität mitführen. Das würde die realistische Reichweite eines mittelgroßen Fahrzeugs von rund 450 Kilometern auf deutlich über 600 Kilometer steigern.

Zusätzlich zur reinen Reichweitensteigerung bringt die Technologie einen strategischen Vorteil für den Industriestandort mit sich. Da Graphit derzeit überwiegend von außerhalb Europas importiert werden muss, ermöglicht der stärkere Einsatz von Silizium-Kompositen eine teilweise Verlagerung der Rohstoffwertschöpfung nach Europa, da Silizium regional und synthetisch gewonnen werden kann.