Langere levensduur, grotere actieradius en sneller opladen - ontwikkelingen zoals elektrische mobiliteit of de miniaturisering van elektronica vereisen nieuwe opslagmaterialen voor batterijen. Met zijn enorme opslagcapaciteit, silicium zou potentieel beslissende voordelen hebben ten opzichte van de materialen die worden gebruikt in in de handel verkrijgbare lithium-ionbatterijen. Maar vanwege de mechanische instabiliteit, het is tot nu toe bijna onmogelijk om silicium te gebruiken voor opslagtechnologie. Een onderzoeksteam van het Institute for Materials Science aan de Kiel University, in samenwerking met het bedrijf RENA Technologies GmbH, ontwikkelt anodes van 100% silicium, evenals een concept voor hun industriële productie. Door gerichte structurering van het oppervlak op micrometerniveau, het team kan het opslagpotentieel van silicium volledig benutten. Dit opent een geheel nieuwe benadering van oplaadbare batterijen, evenals de energieopslag van morgen. Deze week, de partners presenteren de productie en het mogelijke gebruik van siliciumanoden op de Hannover Messe (23 – 27 april), op de CAU-stand (hal 2, C07).

Silicium is al lang een potentiële kandidaat voor de elektrische mobiliteit, volgens materiaalwetenschapper Dr. Sandra Hansen. "Theoretisch, silicium is het beste materiaal voor anodes in batterijen. Het kan tot 10 keer meer energie opslaan dan grafietanodes in conventionele lithium-ionbatterijen." Elektrische auto's zouden verder kunnen rijden, smartphone-batterijen kunnen langer meegaan, en opladen zou aanzienlijk sneller gaan. Een bijkomend voordeel van het halfgeleidermateriaal is de onbeperkte beschikbaarheid – immers, zand bestaat grotendeels uit siliciumdioxide. "Silicium is na zuurstof het meest voorkomende element op aarde, en dus een bijna onbeperkte kosteneffectieve hulpbron, ’ zei Hansen.

Echter, tot nu toe was de levensduur van siliciumanoden veel te kort om ze echt in oplaadbare en oplaadbare batterijen te gebruiken. De reden hiervoor is de hoge gevoeligheid van het materiaal. Tijdens het opladen, lithiumionen bewegen heen en weer tussen de anode en kathode. Silicium, als het materiaal met de hoogste energiedichtheid, kan een opmerkelijk aantal lithiumionen opnemen. Terwijl je dat doet, het groeit met 400 procent, en op den duur kapot zou gaan.

Aan het Instituut voor Materiaalkunde in Kiel, silicium is al bijna 30 jaar onderzocht. De bevindingen tot nu toe, gecombineerd met de siliciumervaring van RENA Technologies GmbH die is opgedaan met zonnetechnologie, zou moeten bijdragen aan de productie van batterijanoden gemaakt van 100% silicium. Dit zou het maximale gebruik van hun opslagpotentieel mogelijk maken - anodes in conventionele oplaadbare batterijen bevatten slechts ongeveer 10-15 procent silicium. Om dit doel na te streven, het gezamenlijke onderzoeksproject "Ontwikkeling en karakterisering van grote, poreuze Si-filmanoden voor lithium-zwavel-silicium-energieopslag" (PorSSi) ging vorig jaar van start, die in totaal een miljoen euro aan financiering heeft gekregen van het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF, meer details zie hieronder). Het resultaat zou uiteindelijk een hoogwaardige siliciumbatterij moeten zijn, samen met een concept voor de kosteneffectieve industriële productie.

"De samenwerking tussen Kiel University en RENA is een zeer efficiënte combinatie van tientallen jaren ervaring in fundamenteel onderzoek met expertise op het gebied van industriële proces- en apparatuurontwikkeling, " benadrukte Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President of Technology bij RENA Technologies GmbH. "Op deze manier, we de resultaten van universitair onderzoek zo snel mogelijk kunnen omzetten in industriële toepassingen, " voegde professor Rainer Adelung eraan toe, hoofd van de werkgroep Functionele Nanomaterialen aan de Universiteit van Kiel, waar veel van de ontdekkingen tot nu toe over silicium werden gedaan. Adelung:"Dit is echte innovatieoverdracht."

"Om de fietsstabiliteit van siliciumanoden in batterijen te vergroten, we moeten precies begrijpen wat er gebeurt als ze uitzetten tijdens het opladen, " zei Hansen. Tijdens haar proefschrift, ze ontdekte dat silicium zich veel flexibeler gedraagt ​​als het in de vorm van een dunne draad wordt geproduceerd. Deze bevindingen worden nu overgebracht naar poreus silicium - het vrije volume laat meer ruimte voor expansie. Om te voorkomen dat de contacten met de elektrode breken, Hansen heeft samen een methode ontwikkeld en gepatenteerd voor een stabiele verbinding tussen beide. Het team wil de tegenhanger van de anode - de kathode - van zwavel maken. "Een zwavelkathode zorgt voor de maximaal mogelijke opslagcapaciteit. Dus in dit project we combineren twee materialen die echt hoge prestaties van de batterij beloven, ’ zei Hansen.

Hansen wil de levensduur van siliciumanoden nog verder verbeteren, door speciale kwaliteitscontrole tijdens de fabricage:ze worden gemaakt van een zogenaamde wafer. Met behulp van een lithografisch etsproces, het oppervlak van deze platte schijf is gestructureerd op nanoschaal, om het specifieke eigenschappen te geven. Met een verbeterde methode op het gebied van zonnetechnologie, Hansen voert dan gedurende een bepaalde periode een visuele inspectie van het oppervlak uit. Op deze manier, kan worden bepaald op welk punt in het productieproces zich oneffenheden op het oppervlak hebben ontwikkeld, die de prestaties van de anode verminderen.

"Momenteel, dit proces duurt nog lang en is erg duur. Als het ons lukt om het van een siliciumwafel over te brengen op een poreuze film, we zouden ze in een paar minuten kunnen etsen, ", aldus Hansen. Door de samenwerking met RENA, de onderzoeksresultaten vloeien rechtstreeks naar de ontwikkeling van nieuwe etssystemen. In de loop van de driejarige projectperiode wordt een prototype geproduceerd, en geïnstalleerd aan de Faculteit Ingenieurswetenschappen in Kiel.