Deutsche Wissenschaftler melden Fortschritte bei Siliziumbatterien. Sie haben tausend Ladezyklen überstanden.

Silizium verspricht Batterien mehr Energie – das Problem ist jedoch die Haltbarkeit. Deutsche Wissenschaftler haben nun Zellen getestet, die mehr als tausend vollständige Ladezyklen überstanden haben.

Silizium bestand den Haltbarkeitstest

Forscher vom deutschen Fraunhofer ISE haben Lithium-Ionen-Zellen mit einer anodalen Schicht reich an Silizium getestet. Nach mehr als 1.000 vollständigen Ladezyklen behielten sie bei einer Kontrollmessung über 83 % der ursprünglichen Kapazität bei. Das Ergebnis stammt aus dem Projekt StrOboBatt.

Genau die Haltbarkeit gehört zu den größten Hindernissen für eine breitere Nutzung von Anoden mit hohem Siliziumgehalt. Das Institut betrachtet das Überstehen von tausend Zyklen bei Beibehaltung von mindestens 80 % der Kapazität als wichtiges Leistungsziel, auf das die Entwicklung dieser Zellen abzielt.

Die getesteten Zellen haben eine Kapazität von 25 Ah, vierzig Schichten sowie einen weichen Pouch-Außenmantel. Sie wurden in einer halbautomatischen Linie im Forschungszentrum des Instituts hergestellt. Es handelt sich somit um mehrschichtige Zellen im industriell genutzten Format und nicht nur um das Material an sich.

Die Energiedichte hat noch Entwicklungspotenzial

Die Forschungszelle erreichte eine Energiedichte von 280 Wh/kg. In der industriell optimierten Ausführung erwarten die Wissenschaftler etwa 330 Wh/kg. Der zweite Wert stellt derzeit nur eine Schätzung des Potenzials der Konstruktion dar, nicht das gemessene Ergebnis dieses Tests.

Die Anode kombiniert Silizium, Kohlenstoff und Graphit. Der Silizium-Kohlenstoff-Komposit macht 51 % ihres aktiven Materials aus, was nicht dasselbe ist wie 51 % reines Silizium. Auf der anderen Seite der Zelle arbeitet eine NMC-Kathode mit hohem Nickelgehalt.

Eine höhere Energiedichte kann dabei helfen, bei derselben Masse der Zellen mehr Energie zu speichern. Bei Elektrofahrzeugen könnte dies zu einer längeren Reichweite beitragen. Der konkrete Nutzen hängt jedoch auch von der Konstruktion der gesamten Batterie, ihrer Kühlung und ihrem Gewicht ab.

Der Druck spielt eine wichtige Rolle

Ein wichtiger Bestandteil des Tests war der äußere mechanische Druck. Bei einem Wert von 1.000 kPa, also etwa 10 Bar, überstiegen die Zellen die angegebene Lebensdauergrenze. Bei einem niedrigeren Druck von 300 kPa bzw. 3 Bar sank die nutzbare Kapazität deutlich schneller.

Der Druck hilft dabei, den Kontakt zwischen den Elektrodenmaterialien aufrechtzuerhalten und verhindert ihre Trennung vom Trägermaterial. Für zukünftige Anwendungen wird daher nicht nur die chemische Zusammensetzung entscheidend sein. Auch die mechanische Konstruktion sowie die Befestigung der Zellen spielen eine bedeutende Rolle.

Die Wissenschaftler haben zudem einen zunehmenden Unterschied zwischen der Kapazität bei langsamer Kontrollentladung und dem Betrieb bei 1C festgestellt. Die erhaltenen 83 % beschreiben daher nicht ausreichend das Verhalten unter höherer Belastung. Das Ergebnis ist vielversprechend, doch das Institut gibt keinen Zeitpunkt für die kommerzielle Einführung an.

Quellen:

Originaltext / Mobilizujeme.cz

Fraunhofer ISE

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