Poröse Siliziumschichten für Lithium-Ionen-Batterien
Forscher entwickeln nicht-toxischen und effizienten Herstellungsprozess für das Anodenmaterial.
Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer guten Eigenschaften weit verbreitet. Sie weisen höhere Energiedichten als andere Batterien auf. Daher sind sie zum Beispiel in Kameras, Uhren, Handys und insbesondere im Bereich der Elektromobilität zu finden. Aus technischer Sicht gibt es aber weiterhin ein großes Potenzial für die Verbesserung und Optimierung der Zellen. Um die Eigenschaften der Batterie im Hinblick auf tragbare mobile Geräte und Elektromobilität weiter zu verbessern, wird derzeit verstärkt an Materialien und Herstellungsprozessen geforscht. Dabei spielen Betrachtungen zur Ressourcenschonung, Umweltschutz und Sicherheit eine erhebliche Rolle. Zudem sollen die Batterien nachhaltig und kostengünstig in großer Menge herstellbar sein.
Im Projekt PoSiBat am Fraunhofer-Institut für organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik wurde ein kosteneffizienter und umweltschonender Prozess zur Herstellung von porösen Siliziumschichten als Anodenmaterial entwickelt. Allerdings führen Lade- und Entladevorgang zu einer enormen Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Siliziums und daher schnell zu einer mechanischen und elektrochemischen Zerstörung des Materialverbunds und so zum Zellversagen.
„Wir haben einen Prozess entwickelt, bei dem zeitgleich Silizium und Zink auf Metallsubstraten abgeschieden werden“, erläutert Stefan Saager vom Fraunhofer-FEP. „Durch eine anschließende Wärmebehandlung verdampft der Zinkanteil aus der Schicht und hinterlässt eine poröse Struktur im Silizium, die Platz für dessen Ausdehnung im Ladeprozess bietet und somit den Kapazitätsverlust minimiert. Durch die Prozessparameter lässt sich die poröse Struktur manipulieren und auf die konkrete Batterieanforderung optimieren. Das Zink lässt sich dabei auffangen und perspektivisch im Prozess wiederverwenden.“ Die porösen Siliziumschichten zeigen hinsichtlich ihrer Batterieperformance eine initiale Ladekapazität über 3000 mAh/gSi und eine vergleichsweise gute Zyklenstabilität.
Fh.-FEP / RK
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