09.09.2019 • Energie

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.

Abb.: Schematischer Aufbau und Funktionsweise einer kommerziellen...
Abb.: Schematischer Aufbau und Funktionsweise einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie mit einer Graphit-Elektrode. (Bild: Fh.-FEP)

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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