Festkörperbatterien: Kann Silizium die Batterien der Zukunft bereit für den Praxiseinsatz machen?

Feststoffbatterien gelten als Zukunftstechnologie und vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Allerdings haben sie auch Nachteile. Um diese auszugleichen, haben Forscher:innen nun untersucht, ob der Einsatz von Anoden aus Silizium anstelle von metallischem Lithium Vorteile für Feststoffbatterien bietet. Die Erkenntnisse bieten Ansätze, um Silizium-Anoden für Feststoffbatterien voranzubringen und leistungsfähigere Akkus zu entwickeln.

Alternative zu gängigen Anoden

Silizium kommt in der Elektronik vielfältig zum Einsatz, etwa in Mikrochips oder Solarzellen. Aber auch in Schmierölen oder Kosmetika kommt das Element zum Eisatz. Es kann außerdem als Anodenmaterial in Akkus verwendet werden und etwa das Graphit in Lithium-Ionen-Batterien ersetzen. Aber auch in Festkörperbatterien kann es zum Einsatz kommen. Silizium hat eine hohe theoretische spezifische Kapazität und minimiert das Risiko der Bildung von Dendriten, die die Akkukapazität mindern und die Batterie letztlich zerstören können.

Silizium-Anoden haben allerdings auch Nachteile. So ist die reale spezifische Kapazität des Elements deutlich niedriger als die theoretische. Die Leistung der Anoden nimmt außerdem bei mehrfachem Betrieb relativ schnell ab.

Außerdem wird beim Laden der Batterie Lithium von der Anode aufgenommen. „ Dabei dehnt sich das Silizium an der Anode um mehrere 100 Prozent aus, was zu erheblichen mechanischen Problemen in einer Feststoffbatterie führt. Zudem reagieren die favorisierten Festelektrolyte mit dem gespeicherten Lithium, was ebenfalls zu Kapazitätsverlusten führt„, so Jürgen Janek von der Universität Gießen, der Seniorautor der Studie.

Anoden auf dem Prüfstand

Gemeinsam mit Erstautor Hanyu Huo, der ebenfalls an der Universität Gießen forscht, sowie weiteren Kolleg:innen, hat Janek die hinter diesem Effekt stehenden Prozesse weiter untersucht. „Diese umfassende und grundlegende Analyse ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum möglichen Einsatz von Silizium als Elektrodenmaterial in Feststoffbatterien, der derzeit international intensiv erforscht wird„, so der Forscher.

Das Team nahm zwei verschiedene Arten von Silizium-Anoden unter die Lupe. Eine dieser Anode bestand aus einer Verbindung von Silizium und einem gängigen Festkörperelektrolyten (LPSCl-Anode). Die andere war eine reine Silizium-Anode. Kombiniert wurden diese Elektroden jeweils mit einer gängigen Kathode und einem Separator. Anschließend wurde die daraus resultierende Batteriezelle 100 Lade- und Entladezyklen unterzogen, wobei die Forscher:innen beobachteten, was in der Anode sowie ihrer Grenzschicht geschah.

Das Potential von Silizium-Anoden in Feststoffbatterien

Dabei zeigte sich, dass sich an der LPSCI-Komposit-Anode dickere Ablagerungen an der Grenzfläche zum Elektrolyt bildeten als an der Silizium-Anode. Diese Ablagerungen erhöhen den Widerstand in den Anoden, wovon vor allem die LPSCI-Komposit-Anode betroffen war. Die Forscher:innen vermuten, dass sich die in der LPSCI-Anode enthaltenen Elektrolyte zersetzen und dann die Ablagerungen ausbilden.

Zusätzlich zeigte die pure Silizium-Anode eine deutlich höhere Kapazität: 3.400 Milliampere pro Gramm, während es bei der Komposit-Anode nur 2.600 Milliampere pro Gramm waren. Allerdings dehnte sich die pure Silizium-Anode während des Ladens auch deutlich stärker aus, was zu einer höheren mechanischen Belastung und damit verbunden zu einer verkürzten Lebensdauer führt. Allerdings lässt dieser Effekt sich verringern. „Eine dünne Beschichtung mit Polypropylen-Carbonat (PPC) kann nicht nur die Degradierung der Grenzfläche hemmen, sie verringert auch die mechanische Belastung„, schreiben die Forscher:innen.

Das Team ist der Ansicht, dass die Resultate wertvolle Erkenntnisse über die Vorgänge an Silizium-Anoden von Feststoffbatterien liefern, aber auch ihre Probleme zeigen – nebst möglichen Lösungsansätzen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Silizium-Anode ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in Feststoffbatterien hat, das durch geschickte Anpassungen der auftretenden Grenzflächen genutzt werden könnte„, so Janek.

via Universität Gießen