Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Silizium als neues Speichermaterial für die Akkus der Zukunft

25.04.2018

Kieler Universität und Anlagenhersteller RENA Technologies präsentieren neuen Lösungsansatz auf der Hannover Messe

Längere Laufzeiten, größere Reichweiten und kürzere Ladevorgänge – Entwicklungen wie die Elektromobilität oder die Miniaturisierung von Elektronik erfordern neue Speichermaterialien für Akkus. Mit seiner enormen Speicherkapazität hätte Silizium entscheidende Vorteile gegenüber Materialien in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Doch aufgrund seiner mechanischen Instabilität war es bisher kaum möglich, Silizium für die Speichertechnologie zu nutzen.


Ein Ätzverfahren verleiht Siliziumscheiben eine poröse Oberfläche, die sich besonders gut mit einer Kupferelektrode verbinden lässt.

Foto: Siekmann, CAU

Ein Forschungsteam vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) will in Zusammenarbeit mit der Firma RENA Technologies GmbH Anoden aus 100 Prozent Silizium sowie ein Konzept für ihre industrielle Herstellung entwickeln. Durch gezieltes Strukturieren ihrer Oberfläche auf Mikroebene kann das Team das Speicherpotenzial von Silizium komplett ausschöpfen.

Damit bieten sie einen völlig neuen Ansatz für aufladbare Batterien sowie für die Energiespeicherung von morgen. Herstellung und Einsatzmöglichkeiten von Siliziumanoden stellen die Partner in dieser Woche auf der Hannover Messe vor (23.-27. April) am Stand der CAU vor (Halle 2, C07).

Silizium zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität, sagt Materialwissenschaftlerin Dr. Sandra Hansen. „Theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Akkus. Es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.“ Elektroautos könnten damit längere Strecken fahren, Handyakkus länger halten und das Aufladen deutlich schneller funktionieren. Ein weiterer Vorteil des Halbmetalls ist seine unbegrenzte Verfügbarkeit, immerhin besteht herkömmlicher Sand fast ausschließlich aus Siliziumoxid. „Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde und damit eine nahezu unbegrenzte, kostengünstige Ressource“, so Hansen weiter.

Doch bisher war die Lebensdauer von Siliziumanoden zu gering, um sie in Akkus einzusetzen. Grund ist die hohe Empfindlichkeit des Materials. Beim Aufladen bewegen sich Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Silizium, als das Material mit der höchsten Energiedichte, nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Dadurch dehnt es sich um 400 Prozent aus und würde auf Dauer zerbrechen.

Am Kieler Institut für Materialwissenschaft wird seit fast 30 Jahren an Silizium geforscht. Die bisherigen Erkenntnisse sollen – kombiniert mit den Silizium-Erfahrungen von RENA Technologies GmbH aus der Solartechnik – dazu beitragen, Anoden aus 100 Prozent Silizium für Akkus herzustellen. So ließe sich ihr Speicherpotenzial maximal ausschöpfen. Anoden in herkömmlichen, aufladbaren Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa 10 bis 15 Prozent Silizium.

Im vergangenen Jahr startete dazu das gemeinsame Forschungsprojekt „Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (PorSSi), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt einer Million Euro gefördert wird (Details siehe unten). Ziel des Projektes ist es, eine leistungsfähige Siliziumbatterie entstehen sowie ein Konzept zu ihrer kostengünstigen, industriellen Herstellung.

„Die Kooperation von CAU und RENA vereint die jahrzehntelangen Erfahrungen der Grundlagenforschung höchst effizient mit der industriellen Prozess- und Anlagenentwicklungs-Expertise“, betont Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President Technology der RENA Technologies GmbH. „So bekommen wir Erkenntnisse aus der universitären Grundlagenforschung schnellstmöglich in die industrielle Anwendung“, ergänzt Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU, in der viele der bisherigen Erkenntnisse zu Silizium gewonnen wurden. Adelung: „Das ist wirklicher Innovationstransfer.“

Kontakt:
Dr. Sandra Hansen
Projektleitung CAU
Tel: 0431-880-6180
E-Mail: sn@tf.uni-kiel.de

Weitere Informationen zum Projekt:
Um eine sinnvolle Reichweite für Elektroautos zu erreichen, benötigen Akkus eine hohe Lebensdauer und stabile Ladezyklen. „Um die Zyklenfestigkeit von Siliziumbatterien zu erhöhen, müssen wir genau verstehen, was passiert, wenn sie sich beim Laden ausdehnen“, sagt Hansen. In ihrer Doktorarbeit fand sie heraus, dass sich Silizium weitaus flexibler verhält, wenn es in Form eines dünnen Drahtes hergestellt wird und somit der hohen Volumenausdehnung besser standhalten kann. Diese Erkenntnisse werden nun auf poröses Silizium übertragen – sein freies Volumen lässt mehr Raum zum Ausdehnen. Damit dabei die Kontakte zur Elektrode nicht abreißen, hat Hansen eine Möglichkeit mitentwickelt und patentiert, beides stabil zu verbinden. Den Gegenpart zur Anode, die Kathode, 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.

Mit einer speziellen Qualitätskontrolle während der Herstellung will Hansen die Lebensdauer von Siliziumanoden weiter verbessern: Gefertigt werden sie aus einem sogenannten Wafer. Per lithografischem Ätzverfahren wird die Oberfläche dieser flachen Scheibe auf Nanoebene strukturiert, um ihr bestimmte Eigenschaften zu geben. Mit einer weiterentwickelten Methode aus der Solartechnik unterzieht Hansen die Oberfläche anschließend einer optischen Prüfung über einen zeitlichen Verlauf. So lässt sich feststellen, an welchem Punkt im Herstellungsprozess ungleichmäßige Stellen in der Oberfläche entstanden sind, die die Leistung der Anode verringern.

„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. Ein Prototyp wird im Laufe des Projektes mit dreijähriger Laufzeit gefertigt und an der Technischen Fakultät in Kiel aufgebaut.

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: Eine 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 Sources 2018, 381, 8-17, 10.1016 https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.01.085
Hansen et al., J.Power Source, 2017, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.025
Hansen et al., J.Electrochem.Soc. 2016, https://doi: 10.1149/2.0811614jes
Hansen et. al., Nachrichten aus der Chemie, 66, 2018.

Bildmaterial zum Download ist vorhanden:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-114-1.jpg
Aus Siliziumscheiben wie dieser stellt das Kieler Forschungsteam Anoden für ihre neuartigen Siliziumbatterien her. Ein Ätzverfahren verleiht den ursprünglich blanken Scheiben eine poröse Oberfläche. Sie 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

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-114-2.jpg
Im Labor an der Technischen Fakultät baut Hansen erste Prototypen von Siliziumbatterien zusammen, um zu testen, wie viele 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

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-114-3.jpg
Beim Laden der Batterie dehnt sich Silizium um 400 Prozent aus, das empfindliche Material könnte dabei zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von solchen Mikrodrähten wie Hansen in ihrer Doktorarbeit zeigen konnte. Aber diese Art der Herstellung ist noch zu teuer für die industrielle Produktion.
Foto/Copyright: Sandra Hansen

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-114-4.jpg
Noch bis Ende dieser Woche stellt Dr. Sandra Hansen ihren Ansatz zur Herstellung von Siliziumanoden auf der Hannover Messe vor.
Foto/Copyright: Claudia Eulitz, Uni Kiel

CAU@Hannover Messe
Auch 2018 stellt die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) auf der Hannover Messe ihre exzellente Forschung vor. Unter dem Motto „Ways to Solutions“ zeigt die Landesuniversität: Wissenschaft wirkt auf vielfältige Weise in die Gesellschaft. Sie trägt zum Austausch bei, löst knifflige Probleme und entwirft neue Szenarien. All das erwartet Gäste in der Halle 2 (Research & Technology). Diesmal gemeinsam mit den Partnern: Land Schleswig-Holstein, Landeshauptstadt Kiel und European XFEL. Im Zentrum des Messeauftritts stehen Präsentationen und Exponate rund um die Themen Spitzenforschung, Wissenstransfer, Patente und Gründungsinitiativen. Vorträge und Podiumsdiskussionen runden das abwechslungsreiche Programm während der Messewoche ab. Alle Informationen unter: http://www.uni-kiel.de/hannovermesse

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2018-114-siliziumakku

Dr. Boris Pawlowski | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie HANNOVER MESSE:

nachricht Hohe Akzeptanz vor Markteinführung - Die Entwicklung des Großschranksystems VX25 von Rittal
24.04.2018 | Rittal GmbH & Co. KG

nachricht Rittal digitalisiert Fertigung - Produktion weltweit nach Industrie 4.0
25.04.2018 | Rittal GmbH & Co. KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: HANNOVER MESSE >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics