Forschung -

Siliziumkathode für Lithiumionen-Batterien

Silizium als Kathodenmaterial würde einer Lithiumionen-Batterie eine um ein Vielfaches höhere Energiedichte verleihen, denn seine spezifische Energiedichte beträgt 4200 mAh/g, die von Graphit 320 mAh/g. Beim Laden dehnt sich der Halbleiter aber um etwa 400 % aus, was die Zelle nach wenigen Zyklen zersetzt. Daher verwendet man meist nur bis zu 5 % Silizium. Mit einer optimierten Partikelgröße und Elektrodenstruktur lässt sich die Pulverisierung allerdings eindämmen.

GS Yuasa hat eine Elektrode auf Siliziumbasis entwickelt, die mechanisch stabil bleibt und deren Energiedichte die herkömmlicher Batterien um das Dreifache übersteigt. Dazu variierten die Entwickler den chemischen Aufbau des Materials: Bei kleiner Partikelgröße ist der Coulomb-Wirkungsgrad niedrig, bei großer Partikelgröße ist die Zyklenfestigkeit gering. Dabei wurde ein Optimum für die Anwendung in Elektrofahrzeugen eingestellt, das zu einer Verbesserung beider Parameter führt.

In einer Elektrode kommt in der Regel ein einziger Typ an leitfähigen Additiven zum Einsatz. GS Yuasa stellte jedoch in seinen Untersuchungen fest, dass die Kombination mehrerer leitfähiger Additive die mechanische Formbarkeit verbessert. Siliziummetallelektroden müssen außerdem oft mit hohen Temperaturen in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt werden, um ihre Bindungsstärke zu erhalten. Solch ein Verfahren eignet sich aber nicht für die Massenproduktion. Die Entwickler umgingen das Problem, indem sie ein wasserlösliches Bindemittel einsetzten.

GS Yuasa plant nun, die Zyklenfestigkeit weiter zu verbessern und die neue Batterietechnologie bis etwa 2025 auf den Markt zu bringen.

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