Größere Reichweite und längere Lebensdauer

In den vergangenen Jahren wurden bereits große Fortschritte im Bereich der Elektromobilität gemacht. Was immer noch fehlt, sind effiziente, kleine und stabile Stromspeicher.

REM-Aufnahme einer mikrostabilisierten Silizium-Anode: Rechts und links die poröse Schicht.

Eine der großen Herausforderungen im Bereich Elektromobilität ist die effektive und zuverlässige Speichermöglichkeit für elektrische Energie im Fahrzeug. Nicht nur die Diskussionen um manipulierte Abgaswerte und regelmäßige Feinstaubwarnungen in Städten wie Stuttgart haben gezeigt, dass neue Lösungen für die Mobilität der Zukunft gefunden werden müssen.

In den vergangenen Jahren wurden bereits große Fortschritte im Bereich der Elektromobilität gemacht. Was immer noch fehlt, sind effiziente, kleine und stabile Stromspeicher. Bislang werden in Elektroautos entweder Lithium-Ionen-Akkus oder Metall-Hydrid-Akkus eingesetzt. Letztere sind zwar weniger effektiv als die Lithium-Ionen-Akkus, dafür aber wesentlich billiger.

Für mobile Anwendungen ist ein möglichst kleiner Stromspeicher mit höherer Kapazität erwünscht. Prädestiniert dafür wäre in diesem Bereich ein Lithium-Ionen-Akku mit einer Silizium-Anode. Bisher werden in Lithium-Ionen-Akkus überwiegend Anoden aus Graphit eingesetzt. Denn die Silizium-Anode bietet zwar eine hohe Ladekapazität, hat aber einen großen Nachteil: Beim Laden und Entladen verändert sich ihr Volumen zum Teil um das Dreifache. Dies führt zu mechanischen Belastungen, die die Anode nach wenigen Ladezyklen zerstören.

Wissenschaftler der Universität Stuttgart entwickelten nun zwei neue Verfahren, um Silizium in diesem Bereich einsetzen zu können. Die beiden Arbeitsgruppen arbeiteten daran, eine poröse Silizium-Anode herzustellen und zu stabilisieren und so eine hohe Ladezyklen-Festigkeit zu erreichen.
Am Institut für Photovoltaik (IPV) der Uni Stuttgart gelang es Prof. Dr. Jürgen H. Werner und seinem Team, poröse und somit mikrostabilisierte Silizium-Anoden herzustellen. Diese Mikrostabilisierung kann in einem einfachen Verfahrensschritt durch lokale Laserbestrahlung erfolgen.

Die Halbleiterschichten werden dazu durch Vakuumverfahren – beispielsweise PECVD oder Sputtern – auf eine Metallfolie aufgebracht. Bei Bedarf werden zur Erhöhung der Materialstärke mehrere Layer nacheinander abgeschieden. Die so erzeugte kompakte Schicht wird durch lokale Laserbestrahlung aufgebrochen, so dass letztlich eine poröse Siliziumschicht entsteht, die anschließend mikrostabilisiert wird. Zusätzlich können durch lokales Laserbestrahlen unterschiedlich dotierte Bereiche in der Siliziumschicht erzeugt. Vor allem p-dotierte Bereiche auf einer n-dotierten Halbleiterschicht wirken als Stützbereiche, da sie weniger Lithium-Ionen einlagern als die n-dotierten Bereiche. Dadurch wird das Aufquellen verhindert und die mechanische Stabilität der Anode erhöht.
Die beschichtete Folie wird abschließend metallisiert und kontaktiert. Durch dieses Verfahren kann einfach und kostengünstig eine Batterie mit einem großen Anteil an aktivem Material und hoher Energiedichte hergestellt werden.

Das zweite Verfahren wurde am Lehrstuhl II des Instituts für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart (Prof. Dr. Guido Schmitz, ehemaliger Stellvertreter Prof. Dr. Horst Strunk) entwickelt und setzt ebenfalls am Problem der mechanischen Belastung einer Silizium-Anode in einem Li-Ionen-Akku an. Den Wissenschaftlern gelang es, eine Struktur zu entwickeln, die eine hohe mechanische Belastbarkeit auch bei mehreren hundert Ladezyklen aufweist und im Durchlaufverfahren produziert werden kann. In diesem Verfahren wird die Oberfläche eines elektrischen leitfähigen Substrates z.B. eine Metallfolie oder eine leitfähige Polymerfolie mit Silizium beschichtet. Auf der Silizium-Schicht wird eine weitere, metallhaltige Schicht aus Aluminium aufgebracht. Daraufhin erfolgt eine Wärmebehandlung, bei der Temperatur und Dauer so optimiert werden, dass eine partielle Interdiffusion von beiden Materialien stattfindet und der Halbleiter zumindest teilweise in den kristallinen Zustand übergeht. Im letzten Schritt werden Teile der metallhaltigen Schicht an der Oberfläche über ein nasschemisches Verfahren entfernt. Nebenbei bildet sich eine konforme Aluminiumoxid-Funktionsschicht auf der nanostrukturierten porösen Silizium-Schicht, die als Anodenmaterial in einem Li-Ionen-Akku eingesetzt eine hohe Stabilität aufweist. Erste Versuche mit dem Labormodell eines Li-Ionen-Akkus zeigten bereits, dass die Kapazität ohne größere Optimierungen auch nach 500 Ladezyklen stabil bei ca. 1650mAh/g lag, mehr als das Vierfache des für heutige Lithium-Ionen-Akku mit Graphit-Anode üblichen.

Die Patente für diese Erfindungen wurden in Europa und USA angemeldet und sind anhängig. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovationen. TLB ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologien beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Zusammenarbeit oder Lizenzierung.
Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Hubert Siller (siller@tlb.de).

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH ist eine Agentur für Erfindungs- und Patentmanagement in Deutschland. TLB begleitet Erfindungen von Hochschulen, Unternehmen und Erfindern auf ihrem Weg von der ersten Idee bis zum wirtschaftlichen Produkt.

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