Eine neue Festkörperbatterie überrascht selbst ihre Erfinder

Die Batterietechnologie wird in der Ausgabe vom 24. September 2021 der Zeitschrift Science beschrieben. Nanoingenieure der University of California San Diego leiteten die Forschung in Zusammenarbeit mit Forschern von LG Energy Solution.

Siliziumanoden sind berühmt für ihre Energiedichte, die zehnmal höher ist als die der Graphitanoden, die in den heutigen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien am häufigsten verwendet werden. Andererseits sind Siliziumanoden dafür berüchtigt, dass sie sich beim Laden und Entladen der Batterie ausdehnen und zusammenziehen und dass sie sich mit flüssigen Elektrolyten zersetzen. Diese Probleme haben dazu geführt, dass Vollsiliziumanoden trotz der verlockenden Energiedichte nicht in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Die neue Arbeit, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, zeigt einen vielversprechenden Weg für Vollsiliziumanoden auf - dank des richtigen Elektrolyten.

"Mit dieser Batteriekonfiguration betreten wir Neuland für Festkörperbatterien, die Anoden aus Legierungen wie Silizium verwenden", sagte Darren H. S. Tan, der Hauptautor der Arbeit. Er hat vor kurzem an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego in Chemieingenieurwesen promoviert und ist Mitbegründer des Start-ups UNIGRID Battery, das diese Technologie lizenziert hat.

Festkörperbatterien der nächsten Generation mit hoher Energiedichte sind seit jeher auf metallisches Lithium als Anode angewiesen. Dies führt jedoch zu Einschränkungen bei den Batterieladezeiten und erfordert eine hohe Temperatur (in der Regel 60 Grad Celsius oder mehr) während des Ladevorgangs. Die Siliziumanode überwindet diese Beschränkungen und ermöglicht viel schnellere Ladezeiten bei Raum- und Niedrigtemperaturen, während gleichzeitig hohe Energiedichten beibehalten werden.

Das Team demonstrierte eine vollständige Zelle im Labormaßstab, die 500 Lade- und Entladezyklen mit einer Kapazitätserhaltung von 80 % bei Raumtemperatur ermöglicht, was sowohl für die Siliziumanoden- als auch für die Festkörperbatterie-Gemeinschaft einen interessanten Fortschritt darstellt.

Silizium als Anode zum Ersatz von Graphit

Siliziumanoden sind natürlich nicht neu. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler und Batteriehersteller nach Silizium als energiereichem Material, das in Lithium-Ionen-Batterien mit herkömmlichen Graphitanoden gemischt werden oder diese vollständig ersetzen kann. Theoretisch bietet Silizium etwa die 10-fache Speicherkapazität von Graphit. In der Praxis haben Lithium-Ionen-Batterien, deren Anode zur Erhöhung der Energiedichte Silizium beigemischt wird, jedoch in der Regel mit Leistungsproblemen zu kämpfen: Insbesondere ist die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge bei gleichbleibender Leistung nicht hoch genug.

Ein Großteil des Problems wird durch die Wechselwirkung zwischen Siliziumanoden und den flüssigen Elektrolyten, mit denen sie gepaart sind, verursacht. Erschwerend kommt hinzu, dass sich das Volumen der Siliziumpartikel beim Laden und Entladen stark ausdehnt. Dies führt mit der Zeit zu starken Kapazitätsverlusten.

"Als Batterieforscher ist es wichtig, die grundlegenden Probleme im System anzugehen. Bei Siliziumanoden wissen wir, dass eines der größten Probleme die Instabilität der Flüssigelektrolyt-Grenzfläche ist", sagt Shirley Meng, Professorin für Nanotechnik an der UC San Diego, korrespondierende Autorin der Science-Veröffentlichung und Direktorin des Institute for Materials Discovery and Design an der UC San Diego. "Wir brauchten einen völlig anderen Ansatz", so Meng.

In der Tat verfolgte das Team unter der Leitung der UC San Diego einen anderen Ansatz: Es verzichtete auf den Kohlenstoff und die Bindemittel, die bei Vollsiliziumanoden zum Einsatz kommen. Außerdem verwendeten die Forscher Mikro-Silizium, das weniger verarbeitet und preiswerter ist als Nano-Silizium, das häufiger verwendet wird.

Eine reine Festkörperlösung

Das Team entfernte nicht nur alle Kohlenstoff- und Bindemittel aus der Anode, sondern auch den flüssigen Elektrolyten. Stattdessen verwendeten sie einen festen Elektrolyten auf Sulfidbasis. Ihre Experimente zeigten, dass dieser Festelektrolyt in Batterien mit reinen Siliziumanoden äußerst stabil ist.

"Diese neue Arbeit bietet eine vielversprechende Lösung für das Problem der Siliziumanoden, auch wenn es noch mehr zu tun gibt", sagte Professor Meng, "Ich sehe dieses Projekt als Bestätigung unseres Ansatzes in der Batterieforschung hier an der UC San Diego. Wir verbinden die strengsten theoretischen und experimentellen Arbeiten mit Kreativität und unkonventionellem Denken. Wir wissen auch, wie man mit Partnern aus der Industrie zusammenarbeitet, während wir schwierige grundlegende Herausforderungen angehen."

Bisherige Bemühungen zur Kommerzialisierung von Anoden aus Siliziumlegierungen konzentrieren sich hauptsächlich auf Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe oder auf die Kombination von nanostrukturierten Partikeln mit polymeren Bindemitteln. Diese haben jedoch immer noch mit einer schlechten Stabilität zu kämpfen.

Indem sie den flüssigen Elektrolyten durch einen festen Elektrolyten ersetzten und gleichzeitig den Kohlenstoff und die Bindemittel aus der Siliziumanode entfernten, konnten die Forscher eine Reihe von Problemen vermeiden, die entstehen, wenn die Anoden während des Betriebs der Batterie in den organischen flüssigen Elektrolyten eintauchen.

Gleichzeitig reduzierte das Team durch die Entfernung des Kohlenstoffs in der Anode den Grenzflächenkontakt (und unerwünschte Nebenreaktionen) mit dem Festelektrolyten erheblich und vermied so den kontinuierlichen Kapazitätsverlust, der typischerweise bei flüssigen Elektrolyten auftritt.

Dieser zweiteilige Schritt ermöglichte es den Forschern, die Vorteile der kostengünstigen, energiereichen und umweltfreundlichen Eigenschaften von Silizium voll auszuschöpfen.

Auswirkungen & Spin-off Kommerzialisierung

"Der Festkörpersilizium-Ansatz überwindet viele Beschränkungen herkömmlicher Batterien. Er eröffnet uns spannende Möglichkeiten, die Marktnachfrage nach höherer volumetrischer Energie, niedrigeren Kosten und sichereren Batterien, insbesondere für die Energiespeicherung im Netz, zu befriedigen", sagte Darren H. S. Tan, der Erstautor des Science-Artikels.

Feste Elektrolyte auf Sulfidbasis galten oft als äußerst instabil. Dies beruhte jedoch auf den traditionellen thermodynamischen Interpretationen, die bei Flüssigelektrolytsystemen verwendet werden, die die ausgezeichnete kinetische Stabilität von Festelektrolyten nicht berücksichtigen. Das Team sah eine Möglichkeit, diese kontraintuitive Eigenschaft zu nutzen, um eine hochstabile Anode zu schaffen.

Tan ist CEO und Mitbegründer eines Start-ups, UNIGRID Battery, das die Technologie für diese Silizium-Festkörperbatterien lizenziert hat.

Parallel dazu wird an der UCSan Diego die damit verbundene Grundlagenarbeit fortgesetzt, einschließlich einer weiteren Forschungskooperation mit LG Energy Solution.

"LG Energy Solution ist hocherfreut, dass die neuesten Forschungsarbeiten zur Batterietechnologie mit der UC San Diego es in das Journal of Science geschafft haben, was eine bedeutende Anerkennung darstellt", sagte Myung-hwan Kim, Präsident und Chief Procurement Officer bei LG Energy Solution. "Mit den neuesten Erkenntnissen ist LG Energy Solution der Verwirklichung von Festkörperbatterietechniken ein großes Stück näher gekommen, was unsere Batterieproduktpalette erheblich diversifizieren würde."

"Als führender Batteriehersteller wird LGES seine Bemühungen fortsetzen, modernste Techniken in der Forschung von Batteriezellen der nächsten Generation zu fördern", fügte Kim hinzu. LG Energy Solution plant, seine Forschungszusammenarbeit mit der UC San Diego im Bereich Festkörperbatterien weiter auszubauen.