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Hochleistungsfähige Kombination: Akkus aus Silizium und Schwefel

Forschungsteam aus der Materialwissenschaft präsentiert innovatives Energiespeicherkonzept auf der Hannover Messe

Längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Ladevorgänge – Entwicklungen wie die Elektromobilität oder die Miniaturisierung von Elektronik stellen neue Anforderungen an Akkus. Mit seinem enormen Speicherpotential hätte Silizium entscheidende Vorteile gegenüber Materialien in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Ein Forschungsteam vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat in Zusammenarbeit mit der Firma Rena Technologies GmbH hochleistungsfähige Siliziumanoden entwickelt. In Kombination mit Schwefel-Kathoden erreichen sie eine zwei- bis dreimal höhere Energiedichte, bis zu 90 Prozent kürzere Ladezeiten und 20 Prozent geringeres Gewicht. Neben der Elektromobilität könnte das neue Akkukonzept auch für Anwendungen im Mobilfunk, Schiffbau sowie als stationärer Zwischenspeicher für z.B. Solar- und Windkraftanlagen interessant sein. Herstellung und Einsatzmöglichkeiten stellt das Forschungsteam aus Kiel auf der Hannover Messe am Stand der CAU vor (Halle 2, C07).

Dank der besonders hohen Energiedichte von Silizium könnten Elektroautos weitere Strecken fahren, Akkus von Mobiltelefonen schneller aufladen und wären schwerer entflammbar. „Doch bisher war das Halbleitermaterial zu empfindlich, um es in großem Maßstab in Akkus einzusetzen“, sagt Materialwissenschaftlerin Dr. Sandra Hansen. Beim Aufladen bewegen sich Lithium-Ionen im Akku zwischen Anode und Kathode hin und her. Da Silizium besonders viele Lithium-Ionen aufnehmen kann, dehnt es sich um 400 Prozent aus und würde auf Dauer zerbrechen.

Im Rahmen eines BMBF-geförderten Projekts entwickelt ein Forschungsteam um Hansen gemeinsam mit der Firma RENA Technologies GmbH zurzeit leistungsfähige Siliziumanoden, Schwefelkathoden sowie ein Konzept für ihre kostengünstige industrielle Herstellung. Durch gezieltes Strukturieren seiner Oberfläche auf Mikroebene ist es ihnen bereits gelungen, Silizium als dünne Drähte herzustellen. „In dieser Form kann sich Silizium weitaus flexibler verhalten und der hohen Belastung beim Aufladen standhalten“, sagt Hansen. Doch die Herstellung der Drähte ist bisher mit hohen Kosten verbunden. Für eine weitaus günstigere Lösung ohne zusätzliche Prozessschritte entwickelten Hansen und Rena Technologies die Anoden jetzt aus hochporösem Silizium, das einen ähnlichen Effekt hat, und zurzeit in ersten Vollzellen getestet wird.

Die Siliziumanoden aus Kiel können je nach individuellen Anforderungen maßgeschneidert hergestellt werden. Den Gegenpart des neuen Batteriekonzepts bildet mit einer Kathode aus Schwefel ein weiteres Material mit einem sehr hohen Speicherpotential. So wird das Speicherpotential von Silizium komplett ausgeschöpft. Aber auch NMC-Kathoden (Nickel-Cobalt-Mangan) aus klassischen Lithium-Ionen-Systemen sind mit den entwickelten Siliziumanoden kompatibel.

Dank der Zusammenarbeit mit der Industrie fließen die Forschungserkenntnisse direkt in die Entwicklung von neuen Ätzungsanlagen. „Aktuell sind wir auf der Suche nach weiteren Partnern aus Industrie und Wissenschaft, um gemeinsam Akkus für individuelle Anwendungen zu entwickeln“, sagt Hansen. „Besonders spannend ist für uns Know-how und Infrastruktur zu Elektrolytsystemen für Schwefel-Luft, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft- und Lithium-Ionen-Technik.“ Als zukünftige Leiterin eines Batterielabors, das zurzeit an der Technischen Fakultät der CAU entsteht, will sie dort Siliziumanoden und Schwefelkathoden hochskalieren, um so Prototypen anzufertigen, abgestimmt auf die jeweiligen Bedarfe von Unternehmen.

Vom 1. bis 5. April 2019 präsentiert Dr. Sandra Hansen mit ihrem Team Konzept, Herstellung und Anwendungsmöglichkeiten von Siliziumanoden und Schwefelkathoden am Stand der CAU auf der Hannover Messe (Halle 2, Research & Technology, Stand C07). Hansen hält dazu am Montag, 1. April, um 12:30 Uhr und um 16:30 Uhr einen englischsprachigen Vortrag mit dem Titel „Silicon as novel storage material for

Li-Sulfur batteries“. Demonstratoren auf der Messe zeigen die Entwicklung über unterschiedliche Generationen von Akkus bis hin zur aktuellen Forschung.

 

Das Wichtigste in Kürze:

Was? Vortrag: „Silicon as novel storage material for Li-Sulfur batteries" und Exponat
Wer? Dr. Sandra Hansen
Wann? Der Vortrag findet am Montag, 1. April, um 12:30 Uhr und um 16:30 Uhr statt. Das Exponat ist vom 1. bis 5. April zu sehen.
Wo? CAU-Messestand C07 in Halle 2 „Research & Technology“, Messegelände (Eingang Nord 2), 30521 Hannover
Station der Guided Tours „Integrated Energies“

 

Eine neue Generation von Akkus: Das Kieler Forschungsteam stellt hauchdünne Anoden aus Silizium her, das besonders viel Energie speichern kann.
© Julia Siekmann, Uni Kiel

Eine neue Generation von Akkus: Das Kieler Forschungsteam stellt hauchdünne Anoden aus Silizium her, das besonders viel Energie speichern kann.

Mikroskopbild
© Sandra Hansen

Beim Laden von Akkus würde sich Silizium um 400 Prozent ausdehnen, das empfindliche Material könnte zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von Mikrodrähten, die Hansen in ihrer Doktorarbeit erforscht hat.

Patentinformation:
Titel: Verfahren zur Herstellung von Flächenableiterelektroden und Halbzeug zur Durchführung des Verfahrens
Nr. WO 2016/037610A1
Erfinder: Sandra Hansen (geb. Nöhren), Jörg Bahr und Jürgen Carstensen
Deutschland, Europa, USA

Projekt:
Titel: Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern (PorSSi)
Leitung: Universität Kiel (Batterieentwicklung), Dr. Sandra Hansen
Projektpartner: RENA Technologies GmbH
BMBF-Förderlinie: „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020)“
Fördersumme: Eine Million Euro
Förderdauer: 01.09.2017 – 31.08.2020

Bisherige Publikationen:
Hansen et al., J. Power Sources 2018, 381, 8-17, 10.1016/j.jpowsour.2018.01.085
Hansen et al., J.Power Source, 2017, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.025
Hansen et al., J.Electrochem.Soc. 2016, http://doi: 10.1149/2.0811614jes
Hansen et. al., Nachrichten aus der Chemie, 66, 2018.

Kontakt:

Dr. Sandra Hansen
Projektleitung CAU
Tel.: 0431-880-6180
E-Mail: sn@tf.uni-kiel.de
Web: www.kinsis.uni-kiel.de/de/mitglieder/mitglieder/dr-ing-sandra-hansen

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)