Elektromobilität

Hoffnungsträger der E-Mobilität: die Siliciumbatterie

Für die flächendeckende Nutzung von Elektroautos fehlen noch immer kostengünstige Batterien, die genug Energie speichern können. Als besonders vielversprechendes Material zur Steigerung ihrer Leistung gilt Silicium. Um in Elektroautos eingesetzt zu werden, ist der Halbleiter allerdings mechanisch nicht stabil genug. Mit einem neuen Ansatz wollen die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und die Firma Rena Technologies GmbH aus Baden-Württemberg die Siliciumbatterie jetzt zur Marktreife bringen.

Aus Siliciumscheiben wie dieser stellt das Kieler Forschungsteam Anoden für ihre neuartigen Siliciumbatterien her. Ein Ätzverfahren verleiht den ursprünglich blanken Scheiben eine poröse Oberfläche – und einen bunten Schimmer. Die poröse Siliciumschicht lässt sich besonders gut mit einer Kupferelektrode verbinden. Die so entstandene hauchdünne Anode kann wie eine Folie abgezogen werden. (Bild: Julia Siekmann, Uni Kiel)

Am 1. September startet das gemeinsame Forschungsprojekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt einer Million Euro gefördert wird, rund 500.000 davon gehen an die CAU. Kieler Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler verbinden in dem Projekt „Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silicium-Energiespeichern“ (PorSSi) ihre Forschungserkenntnisse zu porösen Siliciumanoden mit Erfahrungen aus der Solartechnik. So soll in den nächsten drei Jahren nicht nur eine hochleistungsfähige Siliciumbatterie entstehen, sondern in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller für die Halbleiter- und Solarbranche auch ein Konzept, um sie in großem Maßstab industriell herzustellen.

„Die ganze regenerative Energie wartet auf die bessere Batterie“, sagt Dr. Jürgen Carstensen vom Institut für Materialwissenschaft an der CAU. Mit ihrem Projekt zur Siliciumbatterie will die Kieler Forschungsgruppe Abhilfe schaffen. CAU-Projektleiterin Sandra Hansen ergänzt: „Theoretisch ist Silicium das beste Material für Anoden in Batterien, allerdings bringt es zahlreiche Probleme mit sich. Aber durch unsere bisherigen Forschungen haben wir gelernt, mit diesen Störfaktoren umzugehen.“ Silicium zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität, denn es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als die Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Doch die Lebensdauer von Siliciumanoden war bisher zu gering: Beim Laden der Batterie dehnt sich das Silicium extrem stark um 400 Prozent aus und kann dadurch leicht brechen.

Am Kieler Institut für Materialwissenschaft der Technischen Fakultät wird schon lange zu Silicium geforscht. Seit Anfang der 1990er Jahre unter Gründungsdekan Professor Helmut Föll arbeiten Forschungsgruppen an Siliciumanoden und stellen poröses Silicium und Siliciummikrodrähte her. Die Erkenntnisse daraus fließen in das neue Forschungsprojekt PorSSi ein. Am Ende sollen die Batterien der Kieler Forschenden 100 Prozent Silicium enthalten und ihr Energiepotenzial damit maximal ausschöpfen. Herkömmliche Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa fünf Prozent Silicium. Die Kathode in ihrer neuen Batterie, den Gegenpart zur Anode, will das Team aus Schwefel herstellen. „Eine Schwefelkathode bietet die maximal mögliche Speicherkapazität. Wir kombinieren in diesem Projekt also zwei Materialien, die eine wirklich hohe Leistungsfähigkeit der Batterie versprechen“, sagt Hansen. Außerdem hat die Materialwissenschaftlerin eine Methode aus der Solarbranche weiterentwickelt, um die Qualität und Funktionsfähigkeit der Siliciumschichten in der Batterie zu verbessern.

Innerhalb der Kooperation von CAU und RENA als Experten für nass-chemische Ätz-und Beschichtungsanlagen werden die „jahrzehntelangen Erfahrungen der CAU-Grundlagenforschung höchst effizient mit der industriellen Prozess- und Anlagenentwicklungs-Expertise von RENA vereint“, betont Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President Technology der RENA Technologies GmbH. So soll eine leistungsfähige Siliciumbatterie mit hoher Lebensdauer entstehen, die industriell hergestellt werden kann. Professor Rainer Adelung leitet die Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU, in der viele der bisherigen Erkenntnisse gewonnen wurden. Auch er freut sich über die Zusammenarbeit: „Wir entwickeln und realisieren hier Ideen mit einem der weltweit führenden Anlagenhersteller. So bekommen wir Erkenntnisse aus der universitären Grundlagenforschung schnellstmöglich in die industrielle Anwendung – das ist wirklicher Innovationstransfer.“

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