Umstieg von Graphit auf Silizium
Das Silizium (Si) als Anodenmaterial ist eine Schlüsselkomponente zur Steigerung der Energiedichte der heutigen Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Graphit ist das am häufigsten genutzte Anodenmaterial in kommerziellen LIB. Nachteil des Graphits ist die niedrigste spezifische Speicherkapazität von ca. 370 mAhg-1. Mit Ausnahme von Lithium weist Si bei Raumtemperatur hingegen theoretisch die höchste spezifische Kapazität unter Anodenmaterialien auf (ca. 4200 mAhg-1). Herausforderungen bei der Verwendung des Si ergeben sich hinsichtlich der drastischen Volumenänderung des Wirtsmaterials während einer Lithiumeinlagerung (bis ca. 400 %). Hinzu kommt die chemische Instabilität an der anodischen Grenzfläche zum Elektrolyten, sogenannte Solid-Elektrolyt-Interface (SEI), im Laufe der Zyklierung.
Der Fokus unseren Batterieaktivitäten zielt auf die Entwicklung von hochkapazitiven Silizium-Anodenmaterialien mittels eines trockenen Verfahrens aus einem kombinierten Ansatz aus Sputtern und Blitzlampenausheilung (FLA). Dieser Ansatz ermöglicht eine erhebliche Abfederung der Volumenänderung des Si nach der Lithiierung und eine verbesserte Batterie-Performance in der Konfiguration von Vollzellen, z.B. gegenüber einem Kathodenmaterial aus Lithiumeisenphosphat unter Nutzung eines flüssigen Elektrolyten aus LiPF6 (in Ethylencarbonat- und Dimethylcarbonat-Lösung). Solche Laborzellen erzielen eine Flächenkapazität von bis 2 mAh/cm2, mehr als 100 Zyklen und eine stabile coulombsche Effizient von bis 98%.
Aktuelle Forschungsarbeiten im Überblick:
SEI Stabilisierung
Mithilfe einer Oberflächenpassivierung wird versucht, die Oberfläche der Si-Anode gezielt mittels der Ionenimplantation zu modifizieren. Die Bildung einer stabilen Schicht nach der ersten Zyklierung kann das Wachstum der SEI-Schicht im Laufe der Zyklierung unterbinden und somit die Lebensdauer der Batteriezelle verbessern.
Erhöhung des Anteils des Si
Da das Flächengewicht und die Elektrodendichte durch den Anteil des Si als Aktivmaterial in einer Elektrode bestimmt werden, wird hier die Herstellung einer Si-Anode mit einer höheren Schichtdicke (von bis zu 50 µm) des Si mittels sequentiellen Abscheidens angestrebt.
Projekte
FKLIB-Projekt
VIP+-BMBF, FKZ-03VP11091 (07/2023–06/2026):
Integrierte hochkapazitive Festkörper-Li-Ionen-Batterie
Ziel des Vorhabens ist die Validierung einer neuartigen, kosteneffizienten, direkt auf einem Siliziumwafer integrierten Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (FKLIB). Die Kernkomponente der FKLIB ist eine Kupfer-Silicid-Anode, hergestellt unter kombiniertem Einsatz von Si-Sputtern und der Blitzlampenausheilung. Weitere Komponenten der FKLIB sind der Festkörperelektrolyt aus einem hybriden Keramik-Polymer und eine Kathode aus Lithiumeisenphosphat. Die Anwendungen solcher integrierter FKLIB für autonome und miniaturisierte Energieversorgungen reichen von Sensorchips, flexibler Elektronik, Wearables, Energy Harvesting, Internet der Dinge bis hin zu medizinischen Implantaten. Als Modellanwendung soll eine integrierte FKLIB zur Versorgung eines Sensorchips dienen. Im Projektverbund sind neben dem HZDR (Koordinator), das Fraunhofer-Institut All Silicon System Integration Dresden (ASSID), das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin sowie die TU Bergakademie Freiberg/ Institut für experimentelle Physik beteiligt.
SiNergy-Projekt
sächsischen Aufbaubank, FKZ-100256790 (09/2017- 12/2019):
Entwicklung von Silizium basierten Anodenmaterialien für Sekundärbatterien mit hohen Energiedichten
Im Projektverbund beteiligten sich neben dem HZDR, TU Bergakademie Freiberg/ Institut für experimentelle Physik sowie NORAFIN GmbH.
