TY12 hat geschrieben:Hallo,
habe gerade in der c't einen Bericht über eine Batterie mit Silizium als Anodenwerkstoff gelesen. Die Energiedichte wird damit 10x höher als bei einer Li-Ionen Batterie mit Graphitelektrode! (-> Dr. Sandra Hansen, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) Wenn in 8 - 10 Jahren der Akku von meinem Golf 300 vielleicht ausgelutscht ist, kann ich mit einem Ersatzakku von locker 60 kWh rechnen. Was will man mehr?
Akkus mit 100 kWh sind dann problemlos realisierbar. Da kann das BEV von groß bis klein sein!
Gruß Rudi
Für die Leseratten unter Euch:
Weitere Informationen zum Projekt:
Das Problem der Ausdehnung von Silizium
Alle Batterien dehnen sich beim Auf- und Entladen aus. Grund dafür sind die Lithium-Ionen, die sich dabei zwischen ihren Elektroden bewegen. Silizium als das Material mit der höchsten Energiedichte nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Das führt zu einer extremen Ausdehnung um bis zu 400 Prozent. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie dehnt sich um ca. 150 Prozent aus. Auf Dauer zerbricht das empfindliche Silizium und die ganze Batterie wird dadurch unbrauchbar. Um genug Energie für den Antrieb von E-Autos speichern zu können, müssten Siliziumbatterien sogar noch größer werden, was die Ausdehnungsproblematik zusätzlich verstärkt.
„Damit wir die Zyklenfestigkeit von Siliziumbatterien, also ihre Lebensdauer, erhöhen können, müssen wir genau verstehen, was bei der Ausdehnung passiert“, sagt Hansen. In ihrer Promotion, die kurz vor dem Abschluss steht, hat die 30-Jährige über Anoden mit flexiblen Drähten aus Silizium geforscht. Ihre Erkenntnisse will sie im Forschungsprojekt PorSSi auf poröses Silizium übertragen und es mechanisch genauso stabil machen wie ihre Drahtanoden. Poröses Silizium hat den Vorteil, dass sein freies Volumen mehr Raum zum Ausdehnen lässt. Außerdem hat Hansen eine Möglichkeit mitentwickelt, die Kupferelektroden in der Batterie stabil mit Anoden aus porösem Silizium zu verbinden, damit sie beim Ausdehnen nicht abreißen. „Hochleistungsanoden brauchen auch Hochleistungsanschlüsse“, sagt Hansen, die ein Patent auf diese Kontaktierungsmethode hält.
Auf dem Weg zur industriellen Produktion
Für eine sinnvolle Reichweite sollten Batterien in Elektroautos eine Lebensdauer von mindestens 1000 Ladezyklen haben, so die Annahme der Forscher. Die Anoden aus Siliziumdraht, die Hansen in ihrer Doktorarbeit entwickelt hat, brachten es in ersten Tests bereits auf 500 Ladezyklen. „Die Anoden zeigen im Labormaßstab unglaublich gute Kennwerte. Nach einem halben Jahr durchgängigen Auf- und Entladens funktionieren sie immer noch – und das mit einer deutlich höheren Speicherkapazität als die bisherigen Batterien in Elektroautos“, sagt Hansen. Von Anoden aus porösen Silizium erhofft sie sich nicht nur eine noch längere Lebensdauer, sondern auch eine kostengünstigere Herstellung.
Die Lebensdauer der Siliziumbatterien will das Kieler Forschungsteam mit einer speziellen Qualitätskontrolle bei der Herstellung weiter verbessern. Gefertigt werden Siliziumanoden aus einem sogenannten Wafer, einer flachen Scheibe. Die Oberfläche wird per Lithographieverfahren auf Nanoebene strukturiert, um ihr bestimmte Eigenschaften zu geben. „Wenn wir Silizium für Batterien auf großen Flächen herstellen wollen, brauchen wir eine entsprechend gute Charakterisierungsmethode. Nur wenn das Ätzverfahren gut ist, wird auch Batterie gut,“ so Hansen. Dafür entwickelte sie eine Methode zur Qualitätskontrolle weiter, die vorher für Solarzellen genutzt wurde. Nach der Ätzung kann sie damit die Waferoberfläche rein optisch und über einen zeitlichen Verlauf prüfen, ohne sie zu beschädigen. So lassen sich ungleichmäßige Stellen ausmachen, die die Anodenleistung verringern. Die dafür verantwortlichen Parameter können anschließend im Herstellungsprozess präzise angepasst werden. „Noch dauert dieser Prozess recht lange und ist sehr teuer. Wenn wir es schaffen, ihn von einer Siliziumscheibe auf eine poröse Folie zu übertragen, könnte man sie in nur wenigen Minuten ätzen“, sagt Hansen. Durch die Zusammenarbeit mit der Firma RENA fließen die Forschungserkenntnisse direkt in die Entwicklung von neuen Ätzungsanlagen an. Ein Prototyp wird im Laufe des Projektes gefertigt und an der Technischen Fakultät in Kiel aufgebaut.
„Eigentlich ist die Batterieproduktion im Moment nur in Asien zu finden. Aber mit einem neuen Herstellungskonzept könnte man sie auch in anderen Regionen wieder ansiedeln und vielleicht auch die Fertigung in Deutschland pushen“, glaubt Carstensen. „Bis wir Siliziumanoden in Autobatterien verbauen können, ist es noch ein weiter Weg, aber mit diesem Projekt gehen wir einen großen Schritt.“
Projektinformationen:
Projekttitel: Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern (PorSSi)
Förderdauer: 01.09.2017 – 31.08.2020
Fördersumme: Eine Millionen Euro (500.000 Euro in Kiel)
Projektpartner: RENA Technologies GmbH
Koordination: Benedikt Straub, RENA Technologies GmbH
Projektleiter: Sandra Hansen, Universität Kiel
BMBF-Förderlinie: „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020)“
Beim Laden der Batterie dehnt sich Silizium um 400 Prozent aus, das empfindliche Material könnte dabei zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von solchen Mikrodrähten wie Hansen in ihrer Doktorarbeit zeigen konnte. Aber diese Art der Herstellung ist noch zu teuer für die industrielle Produktion. Die Ergebnisse dazu erschienen im Journal of Power Sources.
Foto/Copyright: Sandra Hansen, Uni Kiel
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