Eine der großen Herausforderungen im Bereich Elektromobilität ist die effektive und zuverlässige Speichermöglichkeit für elektrische Energie im Fahrzeug. 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 jedenfalls 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 schon nach wenigen Ladezyklen die Anode zerstören.
Wissenschaftler der Universität Stuttgart entwickelten nun zwei neue Verfahren, um Silizium in diesem Bereich einsetzen zu können. Die beiden Arbeitsgruppen stellten eine poröse Silizium-Anode her, stabilisierten sie und erreichten so eine hohe Ladezyklen-Festigkeit.
Mikrostabilisierte poröse Silizium-Anoden bringen die Lösung
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.
Wissenschaftler der Uni Stuttgart entwickelten Verfahren zur Herstellung einer porösen Silizium-Anode für ladezyklenfeste Stromspeicher. Bild: IPV/Universität Stuttgart
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 lassen sich durch lokales Laserbestrahlen unterschiedlich dotierte Bereiche in der Siliziumschicht erzeugen. 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.
Hohe mechanische Belastbarkeit auch bei mehreren hundert Ladezyklen
Das zweite Verfahren wurde am Lehrstuhl II des Instituts für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart (Prof. Dr. Guido Schmitz, ehem. Stellvertreter Prof. Dr. Horst Strunk ) entwickelt und setzt ebenfalls bei der mechanischen Belastung einer Silizium-Anode in einem Li-Ionen-Akku an. Die Wissenschaftler entwickelten eine Struktur, 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, etwa 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.
Mehr als die vierfache Kapazität heutiger LiIo-Akkus
Erste Versuche mit dem Labormodell eines Li-Ionen-Akkus zeigten bereits, dass die Kapazität ohne größere Optimierungen auch nach 500 Ladezyklen stabil bei ca. 1650 mAh/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.
Weitere Informationen:
Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH – Dr.-Ing. Hubert Siller
www.ipv.uni-stuttgart.de – www.uni-stuttgart.de/imw
