Forscher entwickeln leistungsstärkere Lithium-Ionen-Batterien

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Dresden - Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer guten Eigenschaften weit verbreitet. Es gibt aber aus technischer Sicht noch ein großes Potenzial für die Verbesserung und Optimierung der Zellen.

Lithium-Ionen-Batterien weisen bereits höhere Energiedichten als andere Batterien auf. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) haben einen neuen Prozess zur Herstellung von porösen Siliziumschichten als Anodenmaterial entwickelt.

Trend: Verbesserung der Batterieeigenschaften durch neue Materialien und Herstellungsprozesse
Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Anordnung diverser Schichten mit jeweils unterschiedlichen Funktionen. Kathode und Anode sind die beiden Elektroden der Batterie und die Elektrolyte die leitfähigen Materialien, die die Pole im Inneren der Zelle miteinander elektrisch verbinden. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf den Einsatz neuer Materialien und neuer Herstellungsprozesse. Dabei spielen Betrachtungen zur Ressourcenschonung, Umweltschutz und Sicherheit eine erhebliche Rolle. Zudem sollen die Batterien nachhaltig und kostengünstig in großer Menge herstellbar sein.

Neuer Prozess: Gezielte Herstellung poröser Siliziumschichten
In einem Forschungsprojekt (PoSiBat) haben die Dresdner Forscher einen kosteneffizienten und umweltschonenden Prozess zur Herstellung von porösen Siliziumschichten als Anodenmaterial entwickelt. Lade- und Entladevorgänge führen in einer Batterie normalerweise zu einer enormen Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Siliziums und damit schnell zu einer mechanischen und elektrochemischen Zerstörung des Materialverbunds und so zum Zellversagen. Mit dem neuen Herstellungsprozess ist es nun möglich, die poröse Struktur der Siliziumschichten gezielt zu steuern bzw. zu manipulieren. Eine Optimierung an die konkrete Batterieanforderung für die unterschiedlichen Anwendungsprofile ist damit möglich.

Beschichtung mit Zink und Silizium
Dr. Stefan Saager vom Fraunhofer FEP: „Wir haben einen Prozess entwickelt, bei dem zeitgleich Silizium und Zink auf Metallsubstraten abgeschieden werden. Durch eine anschließende Wärmebehandlung verdampft der Zinkanteil aus der Schicht und hinterlässt eine poröse Struktur im Silizium, die Platz für dessen Ausdehnung im Ladeprozess bietet und somit den Kapazitätsverlust minimiert." Auf diesem Wege lassen sich die porösen Strukturen gezielt einbauen. Die porösen Siliziumschichten zeigen hinsichtlich ihrer Batterieperformance eine initiale Ladekapazität über 3.000 mAh/gSi und eine vergleichsweite gute Zyklenstabilität, so das FEP.

Über das Projekt PoSiBat
Im Forschungsvorhaben PoSiBat (Projektlaufzeit: 01.09.2016 – 31.05.2019) wurden grundlegende Untersuchungen zur Herstellung von hochporösen Siliziumschichten und zu deren Potenzial für die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mit sehr hoher Energiedichte vorgenommen. Das Projekt wurde aus Mitteln der Europäischen Union und des Freistaates Sachsen gefördert, Förderkennzeichen: 100275833.

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