Silicium som nyt opbevaringsmateriale til fremtidens batterier

Længere levetid, større rækkevidde og hurtigere genopladning – udviklinger som elektrisk mobilitet eller miniaturisering af elektronik kræver nye opbevaringsmaterialer til batterier. Med sin enorme lagerkapacitet, silicium ville potentielt have afgørende fordele i forhold til de materialer, der anvendes i kommercielt tilgængelige lithium-ion-batterier. Men på grund af dens mekaniske ustabilitet, det har hidtil været næsten umuligt at bruge silicium til opbevaringsteknologi. Et forskerhold fra Institute for Materials Science ved Kiel University, i samarbejde med firmaet RENA Technologies GmbH, udvikler anoder lavet af 100% silicium, samt et koncept for deres industrielle produktion. Gennem målrettet strukturering af dens overflade på mikrometerniveau, holdet kan fuldt ud udnytte lagringspotentialet i silicium. Dette åbner op for en helt ny tilgang til genopladelige batterier, samt morgendagens energilagring. Denne uge, partnerne præsenterer produktionen og den potentielle anvendelse af siliciumanoder på Hannover Messe (23. – 27. april), ved CAU -standen (hal 2, C07).

Silicium har længe været en potentiel kandidat til e-elektrisk mobilitet, ifølge materialeforsker Dr. Sandra Hansen. "Teoretisk set, silicium er det bedste materiale til anoder i batterier. Den kan lagre op til 10 gange mere energi end grafitanoder i konventionelle lithium-ion-batterier." Elbiler kunne køre længere, smartphone-batterier kunne holde længere, og genopladning ville være betydeligt hurtigere. En yderligere fordel ved halvledermaterialet er dets ubegrænsede tilgængelighed - trods alt, sand består stort set af siliciumdioxid. "Silicium er det næststørste element på jorden efter ilt, og dermed en næsten ubegrænset omkostningseffektiv ressource, sagde Hansen.

Imidlertid, hidtil var levetiden for siliciumanoder alt for kort til virkelig at kunne bruge dem i opladelige og genopladelige batterier. Årsagen til dette er materialets høje følsomhed. Under opladning, lithiumioner bevæger sig frem og tilbage mellem anoden og katoden. Silicium, som materialet med den højeste energitæthed, kan optage et bemærkelsesværdigt antal lithiumioner. Mens du gør det, den udvides med 400 procent, og ville gå i stykker i det lange løb.

På Institut for Materialevidenskab i Kiel, silicium er blevet forsket i i næsten 30 år. Resultaterne til dato, kombineret med silicium erfaringen fra RENA Technologies GmbH opnået fra solteknologi, skal bidrage til at producere batterianoder lavet af 100 % silicium. Dette ville muliggøre maksimal udnyttelse af deres lagringspotentiale - anoder i konventionelle genopladelige batterier indeholder kun cirka 10-15 procent silicium. For at forfølge dette mål, det fælles forskningsprojekt "Udvikling og karakterisering af store, porøse Si-filmanoder til lithium-svovl-silicium energilagring" (PorSSi) startede sidste år, som har fået i alt en million euro i finansiering fra det føderale ministerium for uddannelse og forskning (BMBF, flere detaljer se nedenfor). Resultatet i slutningen skulle være et højtydende siliciumbatteri, sammen med et koncept for sin omkostningseffektive industrielle produktion.

"Samarbejdet mellem Kiel University og RENA er en højeffektiv kombination af årtiers erfaring inden for grundforskning med industriel proces- og udstyrsudviklingsekspertise, " understregede Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President of Technology hos RENA Technologies GmbH. "På denne måde vi kan overføre resultaterne fra universitetsforskningen til industrielle anvendelser så hurtigt som muligt, " tilføjede professor Rainer Adelung, leder af Functional Nanomaterials arbejdsgruppen ved Kiel University, hvor mange af de hidtidige opdagelser om silicium blev gjort. Adelung:"Dette er ægte innovationsoverførsel."

"For at øge cyklusstabiliteten af ​​siliciumanoder i batterier, vi skal forstå præcis, hvad der sker, når de udvider sig under opladning, " sagde Hansen. Under hendes ph.d.-afhandling, hun opdagede, at silicium opfører sig meget mere fleksibelt, når det fremstilles i form af en tynd ledning. Disse resultater overføres nu til porøst silicium - dets frie volumen giver mere plads til udvidelse. For at forhindre, at kontakterne med elektroden går i stykker, Hansen har medudviklet og patenteret en metode til en stabil forbindelse mellem de to. Teamet ønsker at fremstille modstykket til anoden - katoden - af svovl. "En svovlkatode giver den størst mulige lagerkapacitet. Så i dette projekt, vi kombinerer to materialer, der lover virkelig høj ydeevne fra batteriet, sagde Hansen.

Hansen ønsker at forbedre levetiden for siliciumanoder yderligere, gennem særlig kvalitetskontrol under fremstillingen:de er fremstillet af en såkaldt wafer. Ved hjælp af en litografisk ætsningsproces, overfladen af ​​denne flade skive er struktureret på en nanoskala, at give det specifikke egenskaber. Med en forbedret metode inden for solteknologi, Hansen foretager derefter en visuel inspektion af overfladen over en periode. På denne måde det kan bestemmes på hvilket tidspunkt i fremstillingsprocessen der har udviklet sig ujævne områder på overfladen, som reducerer anodens ydeevne.

"I øjeblikket, denne proces tager stadig lang tid og er meget dyr. Hvis vi kan nå at overføre det fra en siliciumwafer til en porøs film, vi kunne ætse dem på bare et par minutter, " sagde Hansen. Gennem samarbejdet med RENA, forskningsresultaterne flyder direkte ind i udviklingen af ​​nye ætsningssystemer. En prototype vil blive produceret i løbet af den treårige projektperiode, og installeret på Det Tekniske Fakultet i Kiel.