Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Silicium-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silicium-Energiespeicher

Um Elektroautos in Zukunft flächendeckend zu nutzen, fehlen Batterien, die genug Energie speichern und erschwinglich sind. Mit bis zu 4.200 mAh/g verfügt Silicium über eine mehr als zehnfache Kapazität verglichen mit herkömmlichen Anoden auf Graphit-Basis und ist daher ein vielversprechendes Material, um die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus zu steigern. Allerdings dehnt sich das Silicium beim Laden mit solch hohen Kapazität auf bis zum Vierfachen seines ursprünglichen Volumens aus, was oft zu einer mechanischen Zerstörung des Materials und Versagen der Batterie führt.

Ziel des Projektes ist daher, die Entwicklung einer Siliciumanode, die diese Limitierung überwindet und die Bereitstellung einer Fertigungstechnologie, die für den Einsatz im großtechnischen Maßstab geeignet ist.

Die CAU hat das Problem der Volumenausdehnung durch die Strukturierung des Siliciums in Form von Mikrodrähten gelöst. Die Hohlräume in der Struktur geben dem Silicium die Möglichkeit, sich auszudehnen, ohne dass das Material zerstört wird. Die bisher nur auf kleinen Flächen hergestellten Anoden aus Siliciummikrodrahtarrays der CAU Kiel zeigen eine hohe Zyklenfestigkeit von mehr als 300 Zyklen bei einer Kapazität von 3.150 mAh/g und halten dieser Kapazität auch bei schnellem Laden stand. Allerdings ist die Herstellung der Drahtanoden für eine Massenfertigung noch zu aufwendig und kostenintensiv.

Rena Technologies hat einen Prozess entwickelt, mit dem Silicium im In-line-Verfahren porös geätzt werden kann, sodass aus einem Siliciumblock dünne poröse Siliciumfolien hergestellt werden können. Dieser Prozess ist für den hohen Flächendurchsatz geeignet, wie er für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien benötigt wird.

Ziel des Projektes ist es, in Kooperation zwischen der Firma Rena Technologies und dem Lehrstuhl für “Funktionale Nanomaterialien” der Universität Kiel das Verständnis für die gute Leistungsfähigkeit der Siliciummikrodraht-Anoden für die Entwicklung eines Prozesses zur Produktion großflächiger Siliciumanoden in industriellem Maßstab zu nutzen.

Die CAU untersucht die Mechanismen, die zu der exzellenten Leistung der Mikrodrahtanoden führen, um sie, auf die von Rena erzeugten Folien, zu übertragen. Neben der Struktur der Anode spielt hier die Wechselwirkung von Anodenmaterial und Elektrolyt eine wichtige Rolle sowie die Optimierung der Ladeparameter während der ersten Zyklen. Ein nicht zu verachtender Parameter ist hierbei die Veränderung der Mikrostruktur des Siliciums während des Ladevorgangs.

Zur Optimierung der Eigenschaften der erzeugten Folien entwickelt Rena die Prozessparameter des porösen Ätz-Prozesses sowie die dazugehörige Anlage weiter. Ziele sind, die Homogenität der erzeugten Schichten und ihre Struktur speziell für die Verwendung als Anode zu verbessern. Dabei kann Rena auf ihre Erfahrungen in der Prozessentwicklung zurückgreifen wie auch auf das breitgefächerte Know-how der CAU im Bereich des elektrochemischen Porenätzens. Die erzeugten Siliciumfolien werden dann bei der CAU weiter zu Halbzellen prozessiert und analysiert. Für eine zielgerichtete Arbeitsweise ist die Charakterisierung der hergestellten Siliciumfolien erforderlich. Dazu wird eine geeignete Charakterisierungsmethode entwickelt und bei den Partnern etabliert.

Ein weiterer Schlüssel zur Herstellung einer leistungsstarken Anode ist die sichere, mechanische und elektrische Verbindung des Anodenmaterials mit dem Stromableiter. Hier kombinieren die Partner Ihre Vorerfahrungen zur Verbesserung der Kontaktierung der Siliciumanoden mit der Kupferfolie. Anschließend wird das verbesserte Konzept bei Rena in Form einer Laboranlage realisiert, wobei auch hier ein Hauptaugenmerk der Entwicklung auf die gute Skalierbarkeit der Technologie im großen Maßstab liegt.

Um leistungsfähige Vollzellen herzustellen, ist außerdem eine Kathode notwendig, die für die hohen Flächenladungsdichten der Silicium-Anode geeignet ist. An der Universität Kiel werden Schwefelkathoden entwickelt, welche auf hierarchischen Graphitgerüststrukturen basieren. Bisherige Ergebnisse weisen bereits eine hohe Kapazität von 1.170 mAh/g auf der Kathodenseite auf. Diese Strukturen werden aus mit Kohlenstoffnanoröhren beschichteten ZnO-Tetrapoden gewonnen, aus denen das ZnO herausgelöst wird. Durch diese neuartige Struktur lässt sich die Druckfestigkeit des Kohlenstoffnetzwerkes um ein Vielfaches erhöhen. Die Porosität dieser Strukturen beträgt 85 Prozent, wodurch der Shuttleeffekt minimiert werden kann. Durch Modifikationen der Schwefelinfiltration und des Schwefels zu Elektrolytverhältnisses soll eine langzeitstabile Kathode entwickelt werden.

Schließlich fließen die gewonnenen Ergebnisse in die Herstellung und Charakterisierung von Vollzellen ein, die bei der CAU realisiert werden.

Zusätzlich entwirft RENA ein Kostenmodell für die Siliciumanode. Daraus werden die zulässigen Produktionskosten für die Technologie abgeleitet und als Rahmenbedingungen für die Entwicklungsarbeit im Projekt genutzt. Parallel zur technologischen Entwicklung werden die Produktionskosten der erarbeiteten Verfahren für den Einsatz im Großmaßstab modelliert. Damit werden für die einzelnen Prozessschritte auch die Kostengesichtspunkte im Blick behalten und die betriebswirtschaftliche Marktfähigkeit der entwickelten Lösungen sichergestellt.

Die im Projekt entwickelte Batterie- und Produktionstechnologien sollen nach dem erfolgreichen Abschluss des Projekts möglichst schnell in die industrielle Nutzung überführt werden und dadurch ein nennenswerter Beitrag zur Erhöhung der Energiedichte bei gleichzeitiger Reduzierung der Herstellungskosten geleistet werden.