Feststoffbatterien gelten wegen ihrer höheren Kapazität als vielversprechende Alternative für Lithium-Ionen-Akkus, haben aber noch einige Schwächen. Deshalb haben Forschende nun untersucht, welche Vorteile die Nutzung von Anoden aus Silizium statt metallischem Lithium für diese Akkus bieten – und warum es auch dabei zu Problemen kommt. Ihre Erkenntnisse liefern neue Ansätze, um Silizium-Anoden für Feststoffbatterien zu verbessern und so leistungsstärkere Akkus zu entwickeln.
Ohne Silizium sähe unser Alltag heute ganz anders aus. Das Wunderelement wird nicht nur in Mikrochips oder Solarzellen verwendet, es ist auch in Schmierölen, Backformen oder Kosmetika zu finden. Und Silizium kann noch eine weitere Aufgabe erfüllen: Man kann das Element als Anodenmaterial in Akkus einsetzen, beispielsweise als Ersatz für Graphit in Lithium-Ionen-Batterien, aber auch in Feststoffbatterien wie den Lithium-Metall-Akkus. Gründe hierfür sind unter anderem die hohe theoretische spezifische Kapazität des Materials und das niedrige Risiko zur Bildung von Dendriten – nadelartigen Ablagerungen, die das Akkuinnere zerstören.
„Blähungen“ und Leistungsverlust
Allerdings gibt es einige Haken bei der praktischen Verwendung von Silizium-Anoden: Obwohl Silizium in der Theorie eine hohe spezifische Kapazität besitzt, ist die reale spezifische Kapazität von Silizium-Anoden noch relativ gering. Zudem sinkt die Leistung der vermeintlichen Superanoden nach mehrfachem Betrieb ziemlich schnell.
Ein weiteres Problem: Während des Ladevorgangs der Feststoffbatterie wird Lithium von der Anode aufgenommen. „Dabei dehnt sich das Silizium an der Anode um mehrere 100 Prozent aus, was zu erheblichen mechanischen Problemen in einer Feststoffbatterie führt“, erklärt Seniorautor Jürgen Janek von der Universität Gießen. „Zudem reagieren die favorisierten Festelektrolyte mit dem gespeicherten Lithium, was ebenfalls zu Kapazitätsverlusten führt.“
Feststoff-Akkus mit zwei Silizium-Anodentypen im Test
Was genau hinter diesen Prozessen steckt und welche Rolle dabei der Feststoffelektrolyt der Batterie spielt, haben nun Janek, Erstautor Hanyu Huo von der Universität Gießen und ihr Team näher untersucht. „Diese umfassende und grundlegende Analyse ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum möglichen Einsatz von Silizium als Elektrodenmaterial in Feststoffbatterien, der derzeit international intensiv erforscht wird“, betont Janek.
Dafür untersuchten die Forschenden zwei unterschiedliche Typen von Silizium-Anoden: eine Anode, bestehend aus einer Verbindung von Silizium und einem gängigen Festkörperelektrolyten (LPSCl-Anode), und eine pure Silizium-Anode. Die Elektroden wurden mit einer gängigen Kathode und einem Separator zu jeweils einer Batteriezelle kombiniert und 100 Zyklen des Ladens und Entladens unterzogen. Was dabei in der Anode und an ihrer Grenzschicht geschah, beobachtete das Team unter anderem mittels Photoelektronen-Spektroskopie.
Grenzflächen, Stromtransport und Ausdehnung
Die Tests ergaben: Nach mehrfachen Lade-Entladezyklen bildeten sich an den LPSCI-Komposit-Anoden deutlich dickere Ablagerungen an der Grenzfläche zum Elektrolyt aus als bei den puren Silizium-Anoden. „Das Wachstum dieser Schicht an der Grenzfläche erhöht den Widerstand in den Komposit-Anoden“, berichten Huo und seine Kollegen. Als Hauptgrund dafür sehen sie, dass sich die in der LPSCI-Anode enthaltenen Elektrolyte zersetzen und daraufhin an der Anode die dicke, moosartige Grenzschicht bilden.
Die zweite Erkenntnis: Die puren Silizium-Anoden zeigten eine deutlich höhere Kapazität als die Komposit-Anoden – 3.400 Milliampere pro Gramm im Vergleich zu nur 2.600 Milliampere pro Gramm Anodenmaterial. Deshalb ermöglichen sie potenziell hohe Akkuleistungen. Allerdings birgt dieser Anoden-Typ auch ein Problem: Er dehnt sich während des Ladevorgangs stärker aus als die Komposit- Anode. Durch die dabei entstehenden Hohlräume ist die Kontaktfläche dieser Anoden stärkerer mechanischer Belastung ausgesetzt – und dies schmälert ihre Lebensdauer.
Erste Tests ergaben jedoch, dass sich diese mechanische Belastung bei den Silizium-Anoden verringern lässt: „Eine dünne Beschichtung mit Polypropylen-Carbonat (PPC) kann nicht nur die Degradierung der Grenzfläche hemmen, sie verringert auch die mechanische Belastung“, berichten die Wissenschaftler.
Neue Ansätze für Optimierungen
Nach Ansicht von Huo und seinen Kollegen liefern ihre Resultate wertvolle Erkenntnisse über die Vorgänge an Silizium-Anoden von Feststoffbatterien. Sie zeigen aber auch, wo man ansetzen kann, um die bestehenden Probleme zu lösen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Silizium-Anode ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in Feststoffbatterien hat, das durch geschickte Anpassungen der auftretenden Grenzflächen genutzt werden könnte“, fasst Janek zusammen.
Die Lösung dieser Probleme könnte sich lohnen, denn Festkörperbatterien mit Silizium-Anoden weisen eine ähnlich hohe Energiedichte auf wie Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anoden. Da Silizium außerdem anders als Lithium keine Lithium-Metall-Nukleation hervorruft, billig und extrem stabil ist, bleibt es ein Anoden-Material mit viel Potenzial. (Nature Materials, 2024; doi: 10.1038/s41563-023-01792-x)
Quelle: Universität Gießen
