Längre livstider, större räckvidd och snabbare laddning – utvecklingar som elektrisk mobilitet eller miniatyrisering av elektronik kräver nytt lagringsmaterial för batterier. Med sin enorma lagringskapacitet, kisel skulle potentiellt ha avgörande fördelar jämfört med de material som används i kommersiellt tillgängliga litiumjonbatterier. Men på grund av dess mekaniska instabilitet, det har hittills varit nästan omöjligt att använda kisel för lagringsteknik. En forskargrupp från Institutet för materialvetenskap vid Kiel University, i samarbete med företaget RENA Technologies GmbH, utvecklar anoder av 100% kisel, samt ett koncept för deras industriella produktion. Genom riktad strukturering av dess yta på mikrometernivån, laget kan fullt ut utnyttja lagringspotentialen för kisel. Detta öppnar upp ett helt nytt tillvägagångssätt för laddningsbara batterier, samt morgondagens energilagring. Denna vecka, partnerna presenterar produktion och potentiell användning av kiselanoder på Hannover Messe (23 – 27 april), vid CAU-montern (hall 2, C07).

Kisel har länge varit en potentiell kandidat för e-elektrisk mobilitet, enligt materialvetaren Dr. Sandra Hansen. "Teoretiskt sett, kisel är det bästa materialet för anoder i batterier. Den kan lagra upp till 10 gånger mer energi än grafitanoder i konventionella litiumjonbatterier." Elbilar kan köra längre, smartphones batterier kan hålla längre, och omladdningen skulle gå betydligt snabbare. En ytterligare fördel med halvledarmaterialet är dess obegränsade tillgänglighet – trots allt, sand består till stor del av kiseldioxid. "Kisel är det näst vanligaste grundämnet på jorden efter syre, och därmed en nästan obegränsad kostnadseffektiv resurs, sa Hansen.

Dock, Hittills har kiselanodernas livslängd varit alldeles för kort för att verkligen kunna använda dem i laddningsbara och uppladdningsbara batterier. Anledningen till detta är materialets höga känslighet. Under laddning, litiumjoner rör sig fram och tillbaka mellan anoden och katoden. Kisel, som materialet med högst energitäthet, kan ta upp ett anmärkningsvärt antal litiumjoner. Medan du gör det, den expanderar med 400 procent, och skulle gå sönder i längden.

Vid Institutet för materialvetenskap i Kiel, kisel har forskats i nästan 30 år. Resultaten hittills, kombinerat med kiselerfarenheterna från RENA Technologies GmbH från solteknik, ska bidra till att producera batterianoder gjorda av 100 % kisel. Detta skulle möjliggöra maximal användning av deras lagringspotential – anoder i konventionella uppladdningsbara batterier innehåller endast cirka 10-15 procent kisel. För att nå detta mål, det gemensamma forskningsprojektet "Utveckling och karaktärisering av stora, porösa Si-filmanoder för energilagring av litium-svavel-kisel" (PorSSi) startade förra året, som har fått totalt en miljon euro i finansiering från det federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF, mer information se nedan). Resultatet i slutet bör vara ett högpresterande kiselbatteri, tillsammans med ett koncept för dess kostnadseffektiva industriproduktion.

"Samarbetet mellan Kiel University och RENA är en mycket effektiv kombination av årtionden av erfarenhet av grundforskning med expertis inom industriell process och utrustningsutveckling, " betonade Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President of Technology på RENA Technologies GmbH. "På det här sättet, vi kan överföra resultaten från universitetsforskningen till industriella tillämpningar så snart som möjligt, " tillade professor Rainer Adelung, chef för arbetsgruppen Functional Nanomaterials vid Kiel University, där många av de hittills upptäckten om kisel gjordes. Adelung:"Det här är en verklig innovationsöverföring."

"För att öka cykelstabiliteten hos kiselanoder i batterier, vi måste förstå exakt vad som händer när de expanderar under laddning, " sa Hansen. Under sin doktorsavhandling, hon upptäckte att kisel beter sig mycket mer flexibelt när det produceras i form av en tunn tråd. Dessa fynd överförs nu till poröst kisel - dess fria volym lämnar mer utrymme för expansion. För att förhindra att kontakterna med elektroden går sönder, Hansen har utvecklat och patenterat en metod för en stabil anslutning mellan de två. Teamet vill tillverka motsvarigheten till anoden – katoden – av svavel. "En svavelkatod ger maximal lagringskapacitet. Så i det här projektet, vi kombinerar två material som lovar riktigt hög prestanda från batteriet, sa Hansen.

Hansen vill förbättra livslängden för kiselanoder ytterligare, genom särskild kvalitetskontroll under tillverkningen:de tillverkas av en så kallad skiva. Med hjälp av en litografisk etsningsprocess, ytan på denna platta skiva är strukturerad på en nanoskala, för att ge det specifika egenskaper. Med en förbättrad metod från solteknikområdet, Hansen genomför sedan en visuell inspektion av ytan under en tidsperiod. På det här sättet, det kan fastställas vid vilken tidpunkt i tillverkningsprocessen ojämna områden har utvecklats på ytan, vilket minskar anodens prestanda.

"Just nu, denna process tar fortfarande lång tid och är mycket dyr. Om vi ​​lyckas överföra det från en kiselskiva till en porös film, vi kunde etsa dem på bara några minuter, " sa Hansen. Genom samarbetet med RENA, forskningsresultaten flödar direkt in i utvecklingen av nya etsningssystem. En prototyp kommer att produceras under den treåriga projektperioden, och installerad vid tekniska fakulteten i Kiel.