Seoul, Südkorea (ots/PRNewswire) –
– Ingenieure entwickeln eine leistungsstarke Festkörperbatterie mit einer Anode aus reinem Silizium
Ingenieure haben einen neuen Batterietyp entwickelt, der zwei vielversprechende Batterie-Teilbereiche in einer einzigen Batterie vereint. Die Batterie verwendet sowohl einen Festkörperelektrolyten als auch eine Vollsiliziumanode, was sie zu einer reinen Silizium-Festkörperbatterie macht. Die ersten Testrunden haben gezeigt, dass die neue Batterie sicher ist, eine lange Lebensdauer hat und eine hohe Energiedichte aufweist. Sie ist vielversprechend für eine breite Palette von Anwendungen, von der Netzspeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen.
Die Batterietechnologie wird in der Ausgabe vom 24. September 2021 der Fachzeitschrift Science beschrieben. Nanoingenieure der University of California San Diego leiteten die Forschung in Zusammenarbeit mit Forschern von LG Energy Solution.
Siliziumanoden sind berühmt für ihre Energiedichte, die 10-mal höher ist als die der Graphitanoden, die in den heutigen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien am häufigsten verwendet werden. Andererseits sind Siliziumanoden dafür berüchtigt, dass sie sich beim Laden und Entladen der Batterie ausdehnen und zusammenziehen und dass sie sich mit flüssigen Elektrolyten abbauen. Diese Herausforderungen haben dazu geführt, dass Vollsiliziumanoden trotz der verlockenden Energiedichte nicht in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Die neue Arbeit, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, zeigt einen vielversprechenden Weg für Vollsiliziumanoden auf – dank des richtigen Elektrolyten.
“Mit dieser Batteriekonfiguration betreten wir Neuland für Festkörperbatterien, die Anoden aus Legierungen wie Silizium verwenden”, sagte Darren H. S. Tan, der Hauptautor der Studie. Er hat vor kurzem seine Promotion in Chemieingenieurwesen an der UC San Diego Jacobs School of Engineering abgeschlossen und ist Mitbegründer des Start-ups UNIGRID Battery, das diese Technologie lizenziert hat.
Die nächste Generation von Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte basiert seit jeher auf metallischem Lithium als Anode. Dies führt jedoch zu Einschränkungen bei den Batterieladezeiten und erfordert eine hohe Temperatur (in der Regel 60 Grad Celsius oder mehr) während des Ladevorgangs. Die Siliziumanode überwindet diese Beschränkungen und ermöglicht viel schnellere Ladegeschwindigkeiten bei Raum- und Niedrigtemperaturen, während gleichzeitig hohe Energiedichten beibehalten werden.
Das Team demonstrierte eine vollständige Zelle im Labormaßstab, die 500 Lade- und Entladezyklen mit einer Kapazitätserhaltung von 80 % bei Raumtemperatur ermöglicht.
Silizium als Anode zum Ersatz von Graphit
Siliziumanoden sind natürlich nicht neu. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler und Batteriehersteller nach Silizium als energiereichem Material, das in Lithium-Ionen-Batterien mit herkömmlichen Graphitanoden gemischt werden oder diese vollständig ersetzen kann. Theoretisch bietet Silizium etwa die zehnfache Speicherkapazität von Graphit. In der Praxis haben Lithium-Ionen-Batterien, bei denen der Anode zur Erhöhung der Energiedichte Silizium zugesetzt wurde, jedoch in der Regel mit Leistungsproblemen zu kämpfen: Insbesondere ist die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge bei gleichbleibender Leistung nicht hoch genug.
Ein Großteil des Problems wird durch die Wechselwirkung zwischen Siliziumanoden und den flüssigen Elektrolyten, mit denen sie gepaart sind, verursacht. Die Situation wird durch die große Volumenausdehnung der Siliziumteilchen während des Ladens und Entladens erschwert. Dies führt im Laufe der Zeit zu erheblichen Kapazitätsverlusten.