Es geht auch mit Silizium

Als Akteur in neuen Batterien kommt noch ein weiteres Element in Frage: Silizium. Dieses Element bildet wegen seiner günstigen elektrischen Eigenschaften die Basis für unzählige Halbleiter-Technologien vom Computer über Solarzellen bis zur LED. Gleichzeitig ist Silizium eines der häufigsten Elemente auf unserem Planeten. Es kommt in unzähligen Silikaten vor und als Siliziumdioxid im Sand.

Kleiner, leichter und leistungsstärker

Eine Möglichkeit, Silizium in Akkus einzusetzen, ist als Ersatz für die Graphit-Anode in Lithium-Ionen-Akkus. Weil Silizium eine höhere Energiedichte erreichen kann, hätten solche Akkus eine bis zu zehnfach höhere Ladekapazität – theoretisch. Auch das Laden könnte schneller gehen als mit Lithium-Graphit-Akkus. Solche Batterien könnten Elektroautos damit eine weit größere Reichweite verleihen.

Eine weitere Möglichkeit wäre die Kombination des Siliziums mit Schwefel-Kathoden und einem lithiumhaltigen Elektrolyten – eine Silizium-Schwefel-Batterie. An dieser Variante arbeiten unter anderem Forscher der Universität Kiel um Sandra Hansen. Ihren Schätzungen nach könnten solche Akkus eine zwei- bis dreimal höhere Energiedichte, bis zu 90 Prozent kürzere Ladezeiten und ein 20 Prozent geringeres Gewicht erreichen. Damit würden sich solche Akkus theoretisch auch für die Elektromobilität eignen.

…aber mit mehreren Haken

Doch die Verwendung von Silizium als Anodenmaterial bringt einige Probleme mit sich. Das eine ist die Bildung blockierender Ablagerungen und Schäden an der Anode durch Reaktionen des lithiumhaltigen Elektrolyten mit dem Silizium. Ähnlich wie bei den Natrium-Eisensulfid-Akkus entstehen dadurch direkt beim ersten Ladevorgang Bereiche mit unterschiedlich hohem Lithium-Anteil sowie Risse und andere Defekte an der Grenzschicht der Anode zum Elektrolyten, wie Wissenschaftler des Forschungszentrum Jülich kürzlich herausfanden.

Zudem haben alle Varianten der Silizium-Batterie ein ähnliches Problem wie Natrium- oder Aluminiumzellen: Wenn das Silizium Metallionen aufnimmt, verändert es sein Volumen stark – es dehnt sich beim um bis zu 400 Prozent aus und schrumpft dann wieder. Das Kieler Team und auch eine Forschergruppe des Fraunhofer Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) versuchen, dies durch eine poröse Struktur der Silizium-Anoden abzupuffern.

Dafür wird das Silizium zunächst wechselnd mit einem Hilfsstoff – beispielsweise Zink – auf einem Substrat abgeschieden. „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“, erläutert Stefan Saager vom FEP. Ob und wie gut sich diese porösen Anoden in der Praxis bewähren, muss aber noch untersucht werden.

Ein Akku aus Silizium und Luft

Doch es gibt auch eine Silizium-Batterie, die ganz ohne Lithium auskommt: die Silizium-Luft Batterie. Als Gegenpart zur festen Silizium-Anode dient bei ihr eine luftdurchlässige Membran als Kathode. Durch diese poröse Schicht aus Kohlenstoff, Nickel und einer Teflonbeschichtung gelangt Sauerstoff in die Batterie – der zweite wichtige Akteur dieses Akkus. Als Elektrolyt dienen Kaliumhydroxid und Wasser. Damit benötigt dieser Akku nur günstige, ungiftige und ausreichend verfügbare Komponenten.

Doch es gibt einen Haken: „Problematisch bei diesem Typ Batterie sind allerdings noch bisher unverstandene elektrochemische Reaktionen, die zu einem verfrühten Abbruch der Batterieentladung führen“, erklärte Rüdiger Eichel vom Forschungszentrum Jülich im Jahr 2012. Der Akku stoppt dadurch nach wenigen Minuten seinen Stromfluss. Inzwischen jedoch wissen die Forscher mehr.

Demnach liegt das Problem offenbar an einem stetigen Verlust des Kaliumhydroxid-Elektrolyten: Als die Wissenschaftler diesen durch ein Pumpsystem nachfließen ließen, erreichten ihre Silizium-Luft-Knopfzellen problemlos 1.000 Ladezyklen – ein neuer Rekord für diese Batterievariante. „Bleibt die Siliziumanode in Kontakt mit dem Elektrolyten, läuft die Batterie“, sagt Hermann Tempel vom FZ Jülich. „Die Batterie ist immer noch nicht perfekt, aber jetzt wissen wir, woran wir arbeiten müssen.“