Silizium-Feststoffakku: Günstigere E-Autos und mehr Reichweite

Forscher*innen der Universität von San Diego haben gemeinsam mit LG Energy eine Entdeckung gemacht, wodurch sich 2 vielversprechende Arten an Akkutechnologien kombinieren lassen. Sie entwickelten einen Feststoffakku mit einer Siliziumanode.

Feststoff-Akkus gelten als für Elektromobilität als zukunftsweisend, weil sie eine höhere Effizienz, vielfach höhere Reichweite, bessere Sicherheit, eine längere Lebensdauer und wesentlich schnellere Ladegeschwindigkeiten bringen sollen.

Die ersten Tests zeigen laut der UC San Diego, dass die neue Batterie sicher und langlebig ist. Sie verspreche ein breites Anwendungsspektrum von Netzspeichern bis hin zu Elektrofahrzeugen. 

Das Problem und die Lösung

Silizium ist theoretisch ein optimales Material für die Anode, da es eine Kapazitätssteigerung um den Faktor 10 zu herkömmlichen Graphit-Anoden verspricht. Das Problem ist, dass Siliziumanoden dazu neigen, sich beim Laden und Entladen einer Batterie schnell auszudehnen und zusammenziehen und die Kapazität des Akkus schnell sinkt. Insbesondere bei den flüssigen Elektrolyten, die derzeit in Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden. Darum wurden Siliziumanoden bislang nicht genutzt.

Feststoffakkus mit hohen Energiedichten setzen seit jeher auf metallisches Lithium als Anode. Das hat jedoch auch Nachteile – so muss jene beim Laden etwa auf 60 Grad Celsius erwärmt werden. Gerade im Winter ein nicht zu unterschätzender Energieaufwand.

Die Arbeit der Wissenschaftler*innen hat nun eine Lösung für beide dieser Nachteile. Möglich wird das dadurch, dass sie den Kohlenstoff und die Bindemittel, die bei reinen Siliziumanoden verwendet wurden, eliminieren. Darüber hinaus verwenden sie das günstigere Nanosilizium anstelle des üblicherweise genutzten Mikrosiliziums. Dazu kommt ein Festelektrolyt auf Sulfidbasis zum Einsatz.

Probleme vermieden

Dadurch vermieden die Forscher*innen eine Reihe von Problemen, die entstehen, wenn die Anoden während des Betriebs der Batterie mit dem organischen flüssigen Elektrolyten durchtränkt werden, heißt es in der Presseaussendung.

Gleichzeitig konnte das Team demnach durch den Wegfall des Kohlenstoffs in der Anode unerwünschte Nebenreaktionen mit dem Festelektrolyten erheblich reduzieren und so den kontinuierlichen Kapazitätsverlust vermeiden, der normalerweise bei Elektrolyten auf Flüssigkeitsbasis auftritt.

Vielversprechende Tests

Die Änderungen zeigten, dass Vollsiliziumanoden im Festelektrolyten viel stabiler waren und nach 500 Lade- und Entladezyklen im Labor bei Raumtemperatur 80 Prozent der Kapazität beibehielten. Sie konnten auch schneller geladen werden als frühere Siliziumanodenbatterien.

"Der Festkörper-Silizium-Ansatz überwindet viele Einschränkungen herkömmlicher Batterien. Das eröffnet uns spannende Möglichkeiten, die Marktanforderungen nach höherem Energievolumen, niedrigeren Kosten und sichereren Batterien, insbesondere für die Energiespeicherung im Netz, zu erfüllen", sagte Darren H. S. Tan, der leitende Autor der wissenschaftlichen Arbeit.

Die Technologie wurde bereits an ein Unternehmen namens Unigrid Battery lizenziert, und LG Energy Storage plant, die Forschung auszuweiten. Aktuell befindet sich alles noch im Entwicklungsstadium und es ist unklar, ob die Akkus in der Praxis so gut funktionieren, wie in der Realität.

Das Paper der Forscher*innen ist in Science erschienen.