Seit Jahren gelten Silizium-Batterien als Hoffnungsträger für leichte E-Auto-Akkus mit großer Reichweite. Doch das Material ermüdet bisher viel zu schnell. Einem Forscherteam des Fraunhofer ISE ist kürzlich mit einem mechanischen Kniff ein großer Fortschritt gelungen. Steht die Technologie damit vor dem Praxiseinsatz?
Wer heute ein Elektroauto fährt, benötigt nach wie vor mehrere Hundert Kilogramm schwere Akkupacks. Das liegt primär am Graphit auf der Anodenseite, denn das Material stößt physikalisch bereits seit längerer Zeit an seine Grenzen. Silizium kann hingegen rein rechnerisch bis zu zehnmal mehr elektrische Ladung aufnehmen als herkömmlicher Kohlenstoff.
Genau hier setzt das Freiburger Projekt „StrOboBatt“ an. Ein Forscherteam baute dazu 40-lagige sogenannte Pouchzellen, also flache Batteriezellen in Folientaschen. Diese besitzen eine Nennkapazität von 25 Amperestunden. Das Anodenaktivmaterial besteht dabei zu 51 Prozent aus einem Silizium-Kohlenstoff-Komposit.
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Und das System scheint Potenzial zu haben. Denn die Fertigung lief nicht wie bei vielen Forschungsprojekten im Reagenzglas ab, sondern auf einer institutseigenen Anlage im Trockenraum. Für die Testzellen setzte das Team kommerziell verfügbare Elektrodenfolien ein. Im Versuchsformat „PrecISE“ bringt es die Zelle auf 280 Wattstunden pro Kilogramm. In einem industriell optimierten Pouchzellformat peilen die Forscher künftig eine Energiedichte von etwa 330 Wattstunden pro Kilogramm an.
Schwamm-Effekt: Warum Silizium eine feste Klammer braucht
Doch warum scheiterte die Industrie bisher an siliziumreichen Anoden? Das Problem liegt in der Mechanik des Materials. Silizium nimmt beim Laden riesige Mengen Lithium auf und dehnt sich dabei massiv aus. Beim Entladen passiert dann das Gegenteil und die Zelle schrumpft wieder zusammen. Die Elektrode atmet regelrecht wie ein feuchter Schwamm. Ohne Gegenwehr reißt dieser ständige Wechsel die inneren Schichten auseinander. Die Folien lösen sich, der Kontakt bricht ab und die Zelle verliert an Leistung.
Die Lösung der Freiburger verlangt einen definierten mechanischen Gegendruck von außen. Bei relativ geringen 300 Kilopascal Anpressdruck brach die Zelle im schnellen Ladebetrieb deutlich ein. Wurde der Anpressdruck von außen jedoch auf 1.000 Kilopascal erhöht, stabilisierte die mechanische Verspannung die Grenzflächen und verringerte das Ablösen der Elektrodenmaterialien.
Selbst im einstündigen Takt (der sogenannten 1C-Laderate) überstanden die Zellen mehr als 1.000 Zyklen und behielten über 83 Prozent ihrer Anfangskapazität. Doktor Lukas Dold vom Fraunhofer ISE ordnete das Ergebnis ein:
Die Zyklenlebensdauer ist eine der zentralen Hürden für den breiten industriellen Einsatz siliziumreicher Anoden. Mehr als 1.000 Zyklen bei einem Kapazitätserhalt von mindestens 80 Prozent gelten hier als wichtiges Performanceziel.
Silizium-Batterien für Elektroautos im realen Fahralltag
Was bedeutet das nun konkret für die Zukunft? Für die europäische Industrie hat die Technik großes Potenzial. Bisher hängt die Zellproduktion fast vollständig von importiertem Graphit ab. Der Umstieg auf Silizium-Komposite soll die heimische Wertschöpfung stärken und Lieferketten-Risiken reduzieren.
Zudem profitieren nicht nur Elektroautos. Denn mit 330 Wattstunden pro Kilogramm rücken auch elektrische Flugzeuge, Drohnen oder Satelliten in greifbare Nähe, während kompakte Zellen effizientere Heimspeicher für Sonnenstrom ermöglichen sollen.
Aber bis zum Serieneinsatz auf der Straße gibt es noch einige Hürden. Die Messungen zeigen einen zunehmenden Unterschied zwischen der bei niedriger Entladerate ermittelten Restkapazität und der im regulären 1C-Betrieb nutzbaren Kapazität.
Das verdeutlicht, dass neben dem reinen Kapazitätserhalt auch die tatsächliche Leistungsfähigkeit unter anwendungsnaher Last berücksichtigt werden muss. Zudem muss der Außendruck von 1.000 Kilopascal erst in ein echtes Fahrzeug-Akkupaket integriert werden, ohne zusätzliches Gewicht zu generieren.
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