Innovatives Materialkonzept für eine verbesserte Silizium-Anode
Die Lithium-Ionen-Batterie ist derzeit das Maß der Dinge, hat ihr Potenzial aber noch nicht vollständig ausgeschöpft. Neue Elektrodenmaterialien wie Silizium anstelle des reinen Graphits in der Anode versprechen eine deutliche Leistungssteigerung. Bisher geht diese aber zu Lasten der Lebensdauer der Batterie. Denn das Silizium dehnt sich im Laufe der Zeit enorm aus, beansprucht dadurch nicht nur mehr Platz, sondern reduziert auch die Anzahl an möglichen Lade- und Entladezyklen maßgeblich. Um der Volumenänderung entgegenzuwirken, hat ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit Beteiligung des MEET Batterieforschungszentrums ein innovatives Konzept für ein Verbundmaterial basierend auf Silizium und Graphit für die Anode entwickelt.
Starke Kooperation für die nachhaltige Batterie der Zukunft
„Die Batterie der Zukunft muss alles vereinen: eine höhere Energiedichte, einen längeren Lebenszyklus, maximale Sicherheit, verbesserte Nachhaltigkeit sowie möglichst geringe Kosten. Das macht die Forschung so herausfordernd“, erklärt Dr. Tobias Placke, Bereichsleiter Materialien am MEET Batterieforschungszentrums. Insbesondere in der Elektromobilität sind höhere Energiedichten gefragt, um die Reichweite der Fahrzeuge weiter zu steigern.
Da Silizium als Anodenmaterial genau das ermöglicht, haben das MEET Batterieforschungszentrum, die TU Braunschweig und die National Taiwan University in einem Kooperationsprojekt ein neuartiges Silizium-Graphit-Verbundmaterial entwickelt. Es setzt sich aus einem graphitischen Kern, der von zwei Schalen umschlossen wird, zusammen. Die innere Schicht besteht aus mit Siliziumnanopartikeln beschichteten Graphitpartikeln („Si@Gr“), die äußere ist mit amorphem Kohlenstoff beschichtet („Si@Gr/C“). Für die Si@Gr Struktur hat das Forscherteam einen Wirbelschichtreaktor der Technischen Universität Braunschweig eingesetzt. „Im Verbund besitzen die eingesetzten Materialien nun Eigenschaften, die sich denen der einzelnen Bestandteile deutlich unterscheiden“ so Placke. Dass die Siliziumnanopartikel nun gleichmäßig auf der Graphitoberfläche des Kerns verteilt werden, steuert der Volumenänderungen des Siliziums in der Elektrode entgegen.
Ergebnisse sind Teil eines großangelegten Forschungsprojekts
Die detaillierten Ergebnisse haben Andrey Vinograd, Dr. Tobias Placke, Prof. Dr. Martin Winter vom MEET Batterieforschungszentrum, Jannes Müller, Markus Nöske, Christine Nowak, Dr. Wolfgang Haselrieder und Prof. Dr. Arno Kwade von der TU Braunschweig sowie Shu-Jui Chang, Dr. Mozaffar Abdollahifar und Prof. Nae-Lih Wu von der National Taiwan University in dem Fachmagazin „Chemical Engineering Journal“ veröffentlicht. Die Studie ist eingebettet in das Projekt „LiBEST - Lithium-Ionen-Akku mit hoher elektrochemischer Leistung und Sicherheit“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.