Forschungsprojekt an der Uni Kiel will Batterie für die Elektromobilität entwickeln

Kieler Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler verbinden in dem Projekt „Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (PorSSi) ihre Forschungserkenntnisse zu porösen Siliziumanoden mit Erfahrungen aus der Solartechnik.

So soll in den nächsten drei Jahren nicht nur eine hochleistungsfähige Siliziumbatterie entstehen, sondern in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller für die Halbleiter- und Solarbranche auch ein Konzept, um sie in großem Maßstab industriell herzustellen. Das BMBF fördert das Projekt mit insgesamt einer Million Euro, rund 500.000 davon gehen an die CAU.

„Die ganze regenerative Energie wartet auf die bessere Batterie“, sagt Dr. Jürgen Carstensen vom Institut für Materialwissenschaft an der CAU. Mit ihrem Projekt zur Siliziumbatterie will die Kieler Forschungsgruppe Abhilfe schaffen. CAU-Projektleiterin Sandra Hansen ergänzt: „Theoretisch ist Silizium 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.“

Silizium 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 Siliziumanoden war bisher zu gering: Beim Laden der Batterie dehnt sich das Silizium extrem stark um 400 Prozent aus und kann dadurch leicht brechen.

Am Kieler Institut für Materialwissenschaft der Technischen Fakultät wird schon lange zu Silizium geforscht. Seit Anfang der 1990er Jahre unter Gründungsdekan Professor Helmut Föll arbeiten Forschungsgruppen an Siliziumanoden und stellen poröses Silizium und Siliziummikrodrähte her. Die Erkenntnisse daraus fließen in das neue Forschungsprojekt PorSSi ein.

Am Ende sollen die Batterien der Kieler Forschenden 100 Prozent Silizium enthalten und ihr Energiepotenzial damit maximal ausschöpfen. Herkömmliche Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa 5 Prozent Silizium. 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 Siliziumschichten 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 Siliziumbatterie 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.“

Bildmaterial steht zum Download bereit:
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Bildunterschrift: Aus Siliziumscheiben wie dieser stellt das Kieler Forschungsteam Anoden für ihre neuartigen Siliziumbatterien her. Ein Ätzverfahren verleiht den ursprünglich blanken Scheiben eine poröse Oberfläche – und einen bunten Schimmer. Die poröse Siliziumschicht lässt sich besonders gut mit einer Kupferelektrode verbinden. Die so entstandene hauchdünne Anode kann wie eine Folie abgezogen werden.
Foto/Copyright: Julia Siekmann, Uni Kiel

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Bildunterschrift: Professor Rainer Adelung, Sandra Hansen und Dr. Jürgen Carstensen (von links) haben bereits jahrelange Erfahrung in der Forschung an Silizium – hier in Form einer dünnen Scheibe, einem sogenannten Wafer.
Foto/Copyright: Julia Siekmann, Uni Kiel

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Bildunterschrift: Im Labor an der Technischen Fakultät baut Hansen erste Prototypen von Siliziumbatterien zusammen, um zu testen, wie vielen Ladezyklen sie standhalten. In dieser sogenannten „Glove Box“ befindet sich kein Sauerstoff, denn an der Luft würde das Lithium der Batterie oxidieren.
Foto/Copyright: Julia Siekmann, Uni Kiel

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Bildunterschrift: Nach einer großflächigen Ätzung werden die Siliziumscheiben per Laser charakterisiert. Dabei kann es zu Wechselwirkungen mit dem Material kommen: Auf der Oberfläche entstehen Wellen und Ringe (siehe Bildmitte), die die Leistung der späteren Siliziumanode einschränken. Mit einer verbesserten Qualitätskontrolle will das Kieler Team den Herstellungsprozess optimieren. Hier ist eine Aufnahme mit der sogenannten CELLO-Lasertechnik zu sehen, womit die Siliziumscheibe rein optisch und ohne Beschädigungen ortsaufgelöst untersucht werden kann. Die verschiedenen Farben entstehen durch unterschiedliche Reflexionen des Laserlichts beim Abscannen der Oberfläche. Die Ergebnisse dazu erschienen im Journal of The Electrochemical Society.
Foto/Copyright: Sandra Hansen, Uni Kiel

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Bildunterschrift: Beim Laden der Batterie dehnt sich Silizium um 400 Prozent aus. Das empfindliche Material könnte dabei zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von Mikrodrähten wie Hansen in ihrer Doktorarbeit zeigen konnte. Die Ergebnisse dazu erschienen im Journal of Power Sources. Aber diese Art der Herstellung ist noch zu teuer für die industrielle Produktion.
Foto/Copyright: Sandra Hansen, Uni Kiel

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Kostengünstiger wäre es, Silizium als poröse Filme herzustellen. Die Aufnahme im Rasterelektronenmikroskop zeigt die mesoporöse Struktur.
Foto/Copyright: Sandra Hansen, Uni Kiel

Kontakt:
Sandra Hansen
Leitung des Projekts PorSSi an der CAU
Institut für Materialwissenschaft
Tel: 0431-880-6180
sn@tf.uni-kiel.de

Weitere Informationen zum Projekt:

Das Problem der Ausdehnung
Alle Batterien dehnen sich beim Auf- und Entladen aus. Grund dafür sind die Lithium-Ionen, die sich dabei zwischen ihren Elektroden bewegen. Silizium als das Material mit der höchsten Energiedichte nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Das führt zu einer extremen Ausdehnung um bis zu 400 Prozent. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie dehnt sich um ca. 150 Prozent aus. Auf Dauer zerbricht das empfindliche Silizium und die ganze Batterie wird dadurch unbrauchbar. Um genug Energie für den Antrieb von E-Autos speichern zu können, müssten Siliziumbatterien sogar noch größer werden, was die Ausdehnungsproblematik zusätzlich verstärkt.

„Damit wir die Zyklenfestigkeit von Siliziumbatterien, also ihre Lebensdauer, erhöhen können, müssen wir genau verstehen, was bei der Ausdehnung passiert“, sagt Hansen. In ihrer Promotion, die kurz vor dem Abschluss steht, hat die 30-Jährige über Anoden mit flexiblen Drähten aus Silizium geforscht. Ihre Erkenntnisse will sie im Forschungsprojekt PorSSi auf poröses Silizium übertragen und es mechanisch genauso stabil machen wie ihre Drahtanoden. Poröses Silizium hat den Vorteil, dass sein freies Volumen mehr Raum zum Ausdehnen lässt. Außerdem hat Hansen eine Möglichkeit mitentwickelt, die Kupferelektroden in der Batterie stabil mit Anoden aus porösem Silizium zu verbinden, damit sie beim Ausdehnen nicht abreißen. „Hochleistungsanoden brauchen auch Hochleistungsanschlüsse“, sagt Hansen, die ein Patent auf diese Kontaktierungsmethode hält.

Auf dem Weg zur industriellen Produktion
Für eine sinnvolle Reichweite sollten Batterien in Elektroautos eine Lebensdauer von mindestens 1000 Ladezyklen haben, so die Annahme der Forscher. Die Anoden aus Siliziumdraht, die Hansen in ihrer Doktorarbeit entwickelt hat, brachten es in ersten Tests bereits auf 500 Ladezyklen. „Die Anoden zeigen im Labormaßstab unglaublich gute Kennwerte. Nach einem halben Jahr durchgängigen Auf- und Entladens funktionieren sie immer noch – und das mit einer deutlich höheren Speicherkapazität als die bisherigen Batterien in Elektroautos“, sagt Hansen. Von Anoden aus porösen Silizium erhofft sie sich nicht nur eine noch längere Lebensdauer, sondern auch eine kostengünstigere Herstellung.

Die Lebensdauer der Siliziumbatterien will das Kieler Forschungsteam mit einer speziellen Qualitätskontrolle bei der Herstellung weiter verbessern. Gefertigt werden Siliziumanoden aus einem sogenannten Wafer, einer flachen Scheibe. Die Oberfläche wird per Lithographieverfahren auf Nanoebene strukturiert, um ihr bestimmte Eigenschaften zu geben. „Wenn wir Silizium für Batterien auf großen Flächen herstellen wollen, brauchen wir eine entsprechend gute Charakterisierungsmethode. Nur wenn das Ätzverfahren gut ist, wird auch Batterie gut“, so Hansen. Dafür entwickelte sie eine Methode zur Qualitätskontrolle weiter, die vorher für Solarzellen genutzt wurde. Nach der Ätzung kann sie damit die Waferoberfläche rein optisch und über einen zeitlichen Verlauf prüfen, ohne sie zu beschädigen. So lassen sich ungleichmäßige Stellen ausmachen, die die Anodenleistung verringern. Die dafür verantwortlichen Parameter können anschließend im Herstellungsprozess präzise angepasst werden. „Noch dauert dieser Prozess recht lange und ist sehr teuer. Wenn wir es schaffen, ihn von einer Siliziumscheibe auf eine poröse Folie zu übertragen, könnte man sie in nur wenigen Minuten ätzen“, sagt Hansen. Durch die Zusammenarbeit mit der Firma RENA fließen die Forschungserkenntnisse direkt in die Entwicklung von neuen Ätzungsanlagen an. Ein Prototyp wird im Laufe des Projektes gefertigt und an der Technischen Fakultät in Kiel aufgebaut.

„Eigentlich ist die Batterieproduktion im Moment nur in Asien zu finden. Aber mit einem neuen Herstellungskonzept könnte man sie auch in anderen Regionen wieder ansiedeln und vielleicht auch die Fertigung in Deutschland pushen“, glaubt Carstensen. „Bis wir Siliziumanoden in Autobatterien verbauen können, ist es noch ein weiter Weg, aber mit diesem Projekt gehen wir einen großen Schritt.“

Projektinformationen:
Projekttitel: Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern (PorSSi)
Förderdauer: 01.09.2017 – 31.08.2020
Fördersumme: 1 Millionen Euro (500.000 Euro in Kiel)
Projektpartner: RENA Technologies GmbH
Koordination: Benedikt Straub, RENA Technologies GmbH
Projektleiter: Sandra Hansen, Universität Kiel
BMBF-Förderlinie: „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020)“

Patentinformation:
Titel: Verfahren zur Herstellung von Flächenableiterelektroden und Halbzeug zur Durchführung des Verfahrens
Nr. WO 2016/037610A1
Erfinder: Sandra Hansen (geb. Nöhren), Jörg Bahr und Jürgen Carstensen

Bisherige Publikationen zum Projektthema:
Hansen et al., J.Power Source, 2017, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.025
Hansen et al., J.Electrochem.Soc. 2016, doi: 10.1149/2.0811614jes http://jes.ecsdl.org/content/163/14/A3036.full

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Link zur Pressemitteilung: http://www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2017-266-siliziumbatterie