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Neuer Silizium-Akku verzehnfacht die mögliche Energiedichte

An der Kieler Uni ist sie gebaut worden: Eine Siliziumanode mit zehnfacher Ladekapazität gegenüber heutiger Lithium-Ionen-Technik. Obendrein dauert der Ladevorgang nur wenige Minuten – mittlerweile sind 500 Ladungen und Entladungen am Institut belegt.

Neuer Silizium-Akku verzehnfacht die mögliche Energiedichte

Zehnfache Energiedichte gegenüber heutiger Batterietechnik (siehe links): Dr. Sandra Hansen hat das neu strukturierte Silizium-Anodenmaterial (rechts) erforscht.

(Bild: Arne Grävemeyer / c't)

Im Institut für Materialwissenschaft an der Kieler Christian-Albrechts-Universität (CAU) ist ein erster Akku auf Siliziumbasis gebaut worden. Dessen Siliziumanode weist gegenüber heutiger Lithium-Ionen-Technik die zehnfache Energiedichte auf. Damit sollen Elektroautos der Zukunft länger fahren und Hörgeräte weiter miniaturisiert werden können als heute. Zugleich ist der Ladevorgang drastisch verkürzt worden.

Die neue Akku-Technik setzt anstelle heutiger Graphit-Anoden auf Anoden aus 100 Prozent Silizium, das zweithäufigste Element der Erde. "Theoretisch ist Silizium ein ideales Anodenmaterial, weil es viel mehr Energie speichern kann als etwa Graphit", schwärmt Projektleiterin Dr. Sandra Hansen auf der Hannover Messe. Bei bisher 500 Ladungen und Entladungen am Institut hat sich zudem gezeigt, dass der Akku in zwölf Minuten aufgeladen wird, im Gegensatz zu etwa fünf Stunden, die für einen entsprechenden Akku in aktueller Lithium-Ionen-Technik benötigt würden. Ein weiterer Pluspunkt ist die flammhemmende Eigenschaft von Silizium.

Beim Laden dehnt sich das Silizium um 400 Prozent aus, das empfindliche Material könnte dabei zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von Mikrodrähten.

(Bild: Sandra Hansen)

Das wichtigste Problem, das die Forscher zu lösen hatten, bestand in der mechanischen Instabilität von Silizium, die die Lebensdauer der Siliziumanode einschränkte. Durch seine hohe Energiedichte nimmt dieses Anodenmaterial auch besonders viele Lithiumionen auf und kann sich dadurch um bis zu 400 Prozent ausdehnen – da zerbricht der spröde Werkstoff leicht. Erst in ihrer Doktorarbeit belegte Hansen, dass Silizium in einer Mikrostruktur eines dünnen Drahtes flexibel genug ist, um einer starken Ausdehnung standzuhalten.

Zum Silizium-Akku wird an der CAU bereits seit sieben Jahren geforscht, das aktuelle Forschungsprojekt läuft allerdings erst seit einem Dreiviertel-Jahr. Inzwischen wird bereits mit der RENA Technologies GmbH an der industriellen Herstellung der neuen Silizium-Anoden gearbeitet. Ein weiteres Projektziel ist es, die Kathode aus Schwefel zu realisieren, um die Akku-Speicherkapazität weiter zu maximieren.

[Update 30.04.2018 – 11:15 Uhr] Das neu strukturierte Siliziummaterial kommt explizit in der Anode der Akkus zum Einsatz, das wurde präzisiert. (agr)

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