LGES und UC San Diego kreieren Silizium-Feststoffakku

Forscher von LG Energy Solution und der University of California San Diego haben einen neuen Batterietyp entwickelt, der zwei Technologieansätze vereint. Konkret verfügt der Akku sowohl über einen Festkörperelektrolyten als auch über eine Vollsiliziumanode, was ihn zu einer reinen Silizium-Festkörperbatterie macht.

Die ersten Testrunden haben dem Projektteam zufolge gezeigt, dass die neue Batterie sicher ist, eine lange Lebensdauer hat und eine hohe Energiedichte aufweist. Sie sei vielversprechend für eine breite Palette von Anwendungen, von der Netzspeicherung bis hin zu Elektrofahrzeugen, heißt es in einer begleitenden Mitteilung. Dem Team sei es unter anderem gelungen, eine vollständige Zelle im Labormaßstab herzustellen, die 500 Lade- und Entladezyklen mit einer Kapazitätserhaltung von 80 Prozent bei Raumtemperatur ermöglicht. Um die Seriosität des Ansatzes zu untermauern, verweisen die Initiatoren darauf, dass ein Artikel zu der neuen Batterietechnologie dieser Tage in der Fachzeitschrift Science erschienen ist.

„Mit dieser Batteriekonfiguration betreten wir Neuland für Festkörperbatterien, die Anoden aus Legierungen wie Silizium verwenden“, sagte Darren H. S. Tan, der Hauptautor der Studie und Mitbegründer des Startups UNIGRID Battery, das diese Technologie lizenziert hat. Siliziumanoden sollen zwar gegenüber Graphitanoden eine zehn Mal höhere Energiedichte aufweisen, erwiesen sich aber bis dato häufig als instabil. Resultat ist, dass die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge bei gleichbleibender Leistung bisher stark limitiert ist.

„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“, skizziert das Projektteam. Man wisse, dass eines der größten Probleme die Instabilität der Flüssigelektrolyt-Grenzfläche sei. Deshalb habe man einen anderen Ansatz gewählt.

Das Team eliminierte den Kohlenstoff und Bindemittel, ersetzte den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Elektrolyten auf Sulfidbasis und verwendete die genannte reine Siliziumanode. Darüber hinaus setzten die Forscher auf Mikro-Silizium, das weniger bearbeitet und preiswerter ist als das häufiger verwendete Nano-Silizium. Durch diesen Aufbau vermied das Team nach eigener Aussage eine Reihe von Problemen, die entstehen, wenn die Anoden während des Betriebs der Batterie mit dem organischen flüssigen Elektrolyten durchtränkt werden. Gleichzeitig sei es gelungen, durch den Wegfall des Kohlenstoffs in der Anode den Grenzflächenkontakt und daraus resultierende unerwünschte Nebenreaktionen mit dem Festelektrolyten erheblich zu reduzieren und so den kontinuierlichen Kapazitätsverlust zu vermeiden, der normalerweise bei Elektrolyten auf Flüssigkeitsbasis auftritt.

Mit Blick auf den verwendeten festen Elektrolyten auf Sulfidbasis ergänzen die Wissenschaftler, dass dieser „oft als sehr instabil gilt“. Dies beruhe jedoch auf den traditionellen thermodynamischen Interpretationen, die für flüssige Elektrolytsysteme verwendet wurden, was der hervorragenden kinetischen Stabilität von Festelektrolyten nicht gerecht werde, betonen die Initiatoren.

„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“, so Darren H. S. Tan. Parallel dazu wird an der UC San Diego die Grundlagenarbeit fortgesetzt, einschließlich einer zusätzlichen Forschungszusammenarbeit mit LG Energy Solution.

„Mit den neuesten Erkenntnissen ist LG Energy Solution der Realisierung von Festkörperbatterietechniken ein großes Stück näher gekommen, was unsere Batterieproduktpalette erheblich diversifizieren würde“, äußert Myung-hwan Kim, Präsident und Chief Procurement Officer bei LG Energy Solution. „Als führender Batteriehersteller wird LGES seine Bemühungen fortsetzen, modernste Techniken in der Spitzenforschung für Batteriezellen der nächsten Generation zu fördern.“ Unter anderem werde LG Energy Solution seine Forschungszusammenarbeit mit der UC San Diego im Bereich der Festkörperbatterien weiter ausbauen.
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