Ein Gel hilft Silizium, mehr Energie zu speichern
Forscher der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Südkorea haben ein Batteriesystem aus Silizium und Gel entwickelt, das laut der Universität bei stabiler Leistung eine rund 40 % höhere Energiedichte erreicht. Die am 2. Februar 2024 vorgestellte Forschung nutzt fünf Mikrometer große Siliziumteilchen und einen Elektronenstrahl, damit die Batterie dem wiederholten Ausdehnen und Schrumpfen des Materials standhält.
Inhalt
- Ein Gel hilft Silizium, mehr Energie zu speichern
- Warum Silizium schwierig zu nutzen ist
- So wirken Gel und Elektronenstrahl
- Was der Zuwachs von 40 % für die Reichweite bedeutet
- Eine andere Studie untersucht die Schutzschicht von Silizium
- Was die Tests des zweiten Teams erfassten
- Von der Veröffentlichung zur Produktion
- Die wichtigsten Punkte
Die Arbeit soll Elektroautos dem Ziel näherbringen, mit einer Ladung 1.000 Kilometer zurückzulegen. POSTECH bezeichnet diese Reichweite als Forschungsziel. In der Mitteilung werden Ergebnisse eines Batteriesystems beschrieben; eine Demonstration im Fahrzeug, ein Termin für die Markteinführung und ein Preis sind weiterhin nicht angegeben.
Professor Soojin Park, Doktorand Minjun Je und Dr. Hye Bin Son von der Fakultät für Chemie der POSTECH entwickelten den Ansatz. Ihre Studie erschien am 17. Januar 2024 online in Advanced Science, bevor die Universität ihre Forschungsmitteilung veröffentlichte.
Die zentrale Idee besteht darin, ein Material mit hoher Speicherkapazität leichter nutzbar zu machen. Silizium kann deutlich mehr Lithium speichern als der üblicherweise in Batterieanoden verwendete Graphit, verändert beim Laden jedoch stark seine Größe. Das Team der POSTECH verband Siliziumteilchen durch chemische Bindungen mit einem elastischen Gel, damit die Struktur diese Bewegung besser bewältigt.
Für Autofahrer liegt der Vorteil auf der Hand: Eine Batterie, die mehr Energie speichert, könnte längere Fahrten zwischen Ladestopps ermöglichen. Für Batteriehersteller geht die Forschung auch einer anderen Frage nach: Wie lassen sich vergleichsweise preisgünstige Siliziumteilchen verwenden, ohne den stabilen Betrieb zu beeinträchtigen?
Warum Silizium schwierig zu nutzen ist
Der Speichervorteil von Silizium bringt ein mechanisches Problem mit sich. Laut POSTECH dehnt sich das Material beim Laden auf mehr als das Dreifache seiner ursprünglichen Größe aus und zieht sich beim Entladen der Batterie wieder zusammen. Diese wiederholte Bewegung belastet die Elektrode und die umliegenden Materialien.
Eine Anode ist eine der beiden Elektroden einer Batterie. Beim Laden bewegen sich Lithiumionen durch den Elektrolyten in die Anode, wo Energie gespeichert wird. Beim Entladen läuft der Prozess umgekehrt ab. Ein Elektrolyt muss den Ionen die Bewegung ermöglichen, während die Elektrodenstruktur wiederholte Ladezyklen übersteht.
Forscher haben häufig extrem kleine Siliziumteilchen verwendet, um die Belastung zu verringern. Die Herstellung von Silizium im Nanomaßstab sei komplex und teuer, schreibt POSTECH. Größere Teilchen im Mikromaßstab bieten Vorteile bei den Produktionskosten und der Energiedichte, doch ihre Ausdehnung lässt sich schwieriger auffangen.
Die Teilchen im Experiment der POSTECH waren fünf Mikrometer groß, also fünf Millionstel Meter. Laut der Universität waren sie etwa 100-mal größer als die Teilchen in herkömmlichen Siliziumanoden im Nanomaßstab. Dieser konkrete Teilchenvergleich steht in der offiziellen Mitteilung und nicht der Faktor 1.000 aus der ersten Beschreibung der Forschung. Ein Mikrometer ist 1.000-mal so groß wie ein Nanometer.
So wirken Gel und Elektronenstrahl
Das Team der POSTECH kombinierte die größeren Siliziumteilchen mit einem gelartigen Polymerelektrolyten. Ein Polymer ist ein Material aus langen Molekülketten. In dieser Batterie hilft seine elastische Struktur dem Elektrolyten, Größenänderungen des Siliziums auszugleichen und zugleich die Bewegung der Lithiumionen zu ermöglichen.
Anschließend nutzten die Forscher einen Elektronenstrahl, um kovalente Bindungen zwischen den Siliziumteilchen und dem Gel herzustellen. Kovalente Bindungen sind chemische Verbindungen, bei denen Atome Elektronen gemeinsam nutzen. In diesem Fall helfen sie, die innere Spannung zu verteilen, die beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Siliziums entsteht.
Der Ansatz behandelt das Silizium und den umgebenden Elektrolyten als integrierte Struktur. Statt sich allein auf kleinere Teilchen zu verlassen, veränderten die Forscher die Verbindung der Teilchen mit dem umliegenden Material. POSTECH führt die daraus resultierende strukturelle Stabilität auf diese Verbindungen und die Fähigkeit des Gels zurück, die Bewegung auszugleichen.
Park, Chemieprofessor an der POSTECH und Leiter des Teams, bezeichnete das Ergebnis als Fortschritt auf dem Weg, die Speicherkapazität von Silizium praktisch nutzbar zu machen:
Wir haben eine Siliziumanode mit Mikrometerteilchen verwendet und dennoch eine stabile Batterie erzielt. Diese Forschung bringt uns einer Lithium-Ionen-Batterie mit tatsächlich hoher Energiedichte näher.
Die Universität berichtet außerdem, dass das Gelsystem eine ähnliche Ionenleitfähigkeit wie herkömmliche Batterien mit flüssigen Elektrolyten aufwies. Die Ionenleitfähigkeit beschreibt, wie leicht sich geladene Teilchen durch ein Material bewegen. Eine wirksame Ionenbewegung ist wichtig, weil der Elektrolyt den Ionenfluss beim Laden und bei der Stromabgabe unterstützen muss.
Was der Zuwachs von 40 % für die Reichweite bedeutet
POSTECH berichtet von einer rund 40-prozentigen Steigerung der Energiedichte ihres Systems aus Silizium und Gelelektrolyt. Die Energiedichte beschreibt, wie viel Energie eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Masse oder ihrem Volumen speichert. Eine höhere Energiedichte ist ein Weg, mehr Energie mitzuführen, ohne dass die Batterie entsprechend schwerer oder größer wird.
In der Mitteilung der Universität dienen rund 700 Kilometer als Richtwert für die Reichweite von Elektroautos, während 1.000 Kilometer die von den Forschern angestrebte Distanz sind. Der Sprung von 700 auf 1.000 Kilometer entspräche 300 zusätzlichen Kilometern oder einem Zuwachs von etwa 43 %.
Diese Zahlen verdeutlichen, warum eine um 40 % höhere Energiedichte attraktiv ist. Als einfache Veranschaulichung ergeben 700 Kilometer plus 40 % rund 980 Kilometer und liegen damit nahe am genannten Ziel. Die Rechnung setzt voraus, dass das Fahrzeug gleich viel Energie verbraucht und die nutzbare Energie der Batterie im selben Verhältnis steigt.
Die tatsächliche Reichweite eines Fahrzeugs hängt außerdem von Gewicht, Effizienz, Geschwindigkeit, Temperatur und dem Aufbau des Batteriepakets ab. Die praktische Aufgabe besteht darin, den Speichervorteil des Materials in eine vollständige Batterie und anschließend in ein Fahrzeug zu übertragen. Die von POSTECH berichtete Kombination aus stabilem Betrieb, größeren Siliziumteilchen und vergleichbarer Ionenleitfähigkeit setzt an mehreren Aspekten dieser Aufgabe zugleich an.
Eine andere Studie untersucht die Schutzschicht von Silizium
Ein anderes Forschungsteam, zu dessen Autoren Ai-Min Li und Chunsheng Wang zählen, veröffentlichte am 8. Februar 2024 eine Studie in Nature Communications. Auch dort kamen fünf Mikrometer große Siliziumteilchen zum Einsatz, doch die Forscher verfolgten einen anderen Ansatz: einen flüssigen Elektrolyten, der eine schützende Oberflächenschicht bildet, die Siliziumbewegungen standhält.
In der Studie wird erläutert, dass ein wesentlicher Grund für den Kapazitätsverlust Schäden an der Festelektrolyt-Grenzphase sind, meist SEI abgekürzt. Dabei handelt es sich um eine dünne Schutzschicht, die sich auf der Anode bildet. Wenn sie Risse bekommt, kann flüssiger Elektrolyt in beschädigte Siliziumteilchen eindringen und erneut reagieren. Dadurch entstehen neue Schichten und der elektrische Kontakt wird beeinträchtigt.
Li und seine Kollegen entwickelten einen Elektrolyten mit Fluorethylencarbonat, Sulfolan und TTE, einem fluorierten Ether. Ihre Zusammensetzung ermöglicht den Betrieb von Zellen bei 4,3 Volt und bildet eine lithiumfluorid- und lithiumoxidhaltige Schutzschicht.
Die Autoren bezeichnen diese Schicht als siliziumphob, das heißt, sie bindet nur schwach an das darunterliegende Lithium- und Siliziummaterial. Durch diese schwache Haftung kann sich das Silizium innerhalb der Schutzschicht ausdehnen und zusammenziehen, ohne die Schicht selbst stark zu belasten. Der Ansatz der POSTECH setzt hingegen auf starke chemische Verbindungen zwischen Silizium und einem elastischen Gel, um die Spannung zu verteilen.
Die beiden Studien gehen das Problem der Bewegung also an unterschiedlichen Grenzflächen an. Bei dem einen Ansatz ist das Silizium mit einer flexiblen umgebenden Struktur verbunden; beim anderen kann es sich innerhalb einer Schutzschicht bewegen, die weniger stark haftet.
Was die Tests des zweiten Teams erfassten
Die Studie in Nature Communications berichtet, dass die Siliziumanoden mit einer spezifischen Kapazität von 2.175 Milliamperestunden pro Gramm mehr als 250 Zyklen durchliefen und einen Coulomb-Wirkungsgrad von 99,8 % erreichten. Die Kapazität pro Gramm gibt an, wie viel elektrische Ladung eine bestimmte Materialmasse speichern kann. Ein Zyklus umfasst einen Lade- und einen Entladevorgang.
Der Coulomb-Wirkungsgrad vergleicht die beim Entladen entnommene Ladung mit der beim Laden zugeführten Ladung. Bei 99,8 % beträgt die Differenz pro gemessenem Zyklus etwa 0,2 %. Eine geringe Differenz ist wichtig, weil wiederholte unerwünschte Reaktionen mit der Zeit Ladung und Materialien verbrauchen.
Das Team testete außerdem eine Pouchzelle mit einer Nennkapazität von 100 Milliamperestunden. Sie lieferte über 120 Zyklen 172 Milliamperestunden pro Gramm Kathodenmaterial und erreichte einen Coulomb-Wirkungsgrad von mehr als 99,9 %. Bei einer Pouchzelle befinden sich die Batteriekomponenten in einer flexiblen Hülle.
Diese Messwerte beschreiben Elektrodenkapazität, Wirkungsgrad und Zyklenfestigkeit des flüssigen Elektrolyten. Das zentrale Ergebnis der POSTECH ist eine um rund 40 % höhere Energiedichte durch ihr Gelsystem. Beide Studien liefern unterschiedliche Messwerte, die dazu beitragen sollen, größere Siliziumteilchen für Lithium-Ionen-Batterien nutzbar zu machen.
Von der Veröffentlichung zur Produktion
POSTECH bezeichnet das Herstellungsverfahren als unkompliziert und einsatzbereit. Der Einsatz größerer Siliziumteilchen mindert die Kosten und den Aufwand, die mit der Herstellung von Teilchen im Nanomaßstab verbunden sind. Der Elektronenstrahl erzeugt die für die integrierte Struktur erforderlichen Bindungen.
Laut Mitteilung der Universität wurde die Forschung durch das Programm für unabhängige Forscher der National Research Foundation of Korea gefördert. Die zeitliche Abfolge der Veröffentlichungen ordnet das Ergebnis neben einem weiteren Ansatz ein, der im selben Zeitraum das Ausdehnungsproblem von Silizium angehen sollte:
- 17. Januar 2024: Die Studie des POSTECH-Teams erschien online in Advanced Science.
- 2. Februar 2024: POSTECH gab die Ergebnisse zum System aus Silizium und Gelelektrolyt sowie das Ziel einer Reichweite von 1.000 Kilometern bekannt.
- 8. Februar 2024: Nature Communications veröffentlichte die separate Studie zu einem flüssigen Elektrolyten für fünf Mikrometer große Siliziumteilchen.
Beide Projekte verbindet derselbe praktische Anreiz: Silizium ist reichlich vorhanden und bietet eine hohe Speicherkapazität, während größere Teilchen Produktionsschwierigkeiten verringern können. Entscheidend ist, dass die umgebenden Materialien die Bewegung des Siliziums aushalten. Nur so lassen sich diese Vorteile in Batterien umsetzen, die auch nach wiederholter Nutzung eine brauchbare Kapazität behalten.
Die wichtigsten Punkte
- POSTECH berichtet für ein integriertes Batteriesystem aus Silizium und Gelelektrolyt von einer rund 40 % höheren Energiedichte.
- Die Forscher nutzten einen Elektronenstrahl, um chemische Bindungen herzustellen, die beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Siliziums zur Spannungsverteilung beitragen.
- Das stabile System verwendete fünf Mikrometer große Teilchen, die laut POSTECH 100-mal größer sind als herkömmliche Silizium-Nanoteilchen.
- Eine Reichweite von 1.000 Kilometern ist das Forschungsziel; in der Mitteilung geht es um die Entwicklung der Batterie.
- Eine separate Studie in Nature Communications nutzte einen flüssigen Elektrolyten und eine schützende Oberflächenschicht und berichtete über die Leistung von Siliziumanoden in mehr als 250 Zyklen.
