Batterieelektroden aus Siliziumschichten mit optimierter Porosität und Mikrostruktur

In Lithium-Ionen-Akkus verspricht die Verwendung von Silizium als Anodenmaterial eine hohe theoretische Energiedichte. Allerdings erfährt eine siliziumbasierte Anode eine erhebliche Volumenvergrößerung durch die Aufnahme von Ionen. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart nun ein Verfahren entwickelt, mit Laser-Bestrahlung poröse und mikrostabilisierte Silizium-Anoden herzustellen. Die erfindungsgemäßen Batterieelektroden haben ein hohes Potential zur Ionenaufnahme bei verbesserter mechanischer Stabilität, eine hohe Energiedichte durch eine große aktive Fläche und sind zur Herstellung mechanisch flexibler Batterien geeignet.

Da die theoretische Kapazität von Anoden auf Silizium­basis deutlich höher ist als die herkömmlich einge­setzter, kohlenstoffbasierter Anoden, werden Verfahren benötigt, die eine Massenproduktion stabiler Silizium­ano­den er­möglichen. Die erfin­dungsgemäße Elek­trode auf Sili­zi­um­basis, weist eine große Kapazität zur Aufnahme von Ionen bei hoher mechanischer Stabilität auf. Sie kann wirtschaftlich hergestellt werden und ist für den Einsatz sowohl in Primärzellen (z. B. Silizim-Luft-Batterien) als auch Sekundärzellen (z. B. Li-Ion-Batterien) geeignet.

Sowohl in Primärzellen als auch in Sekundärzellen ver­spricht die Verwendung von Silizium als Anodenmate­rial eine hohe theoretische Energiedichte. Allerdings erfährt eine sili­zium­basierte Ano­de eine erhebliche Volumen­ver­größe­rung durch die Auf­nahme von Ionen. Dieses Auf­quellen kann zu Spannungen, Riss­bildungen und letzt­lich zum Ver­sa­gen der Elektrode führen.
Bisherige Ansätze, Siliziumelek­troden mit kontrollierter Porosität herzustellen, um die Volumenver­größerung zu begrenzen, können meist dem Aufquellen des Siliziums nicht ausreichend ent­ge­genwirken und erfordern in der Regel einen hohen zusätzlichen Fertigungsaufwand.

Wissenschaftler des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart haben nun ein Verfahren entwickelt, siliziumbasierte Anoden aus porösen und mikrostabi­li­sierten Halbleiter­schich­ten herzustellen.
Die Mikrostabilisierung kann in einem einfachen Ver­fah­rensschritt erfolgen. Zum Beispiel durch lokale Laser­be­strah­lung werden unterschiedlich dotierte Bereiche er­zeugt. Vor allem p-dotierte Bereiche auf einer n-dotierten Halb­leiterschicht wirken als Stützbereiche, da sie weniger Ionen einlagern als die n-dotierten. Dadurch wird das Auf­quellen verhindert und die me­cha­nische Stabilität der Anode erhöht. Die dreidimensionale Gitterstruktur der Stütz­bereiche kann auch durch lokale Kristallisation, also Verfestigung von Gitterpunkten, erzeugt werden.
Die Halbleiterschichten werden durch Vakuum­ver­fah­ren auf eine Kunststoff- oder Metallfolie aufge­bracht. Bei Bedarf werden zur Erhöhung der Materialstärke mehrere Schich­ten nacheinander abgeschieden und mikro­stabili­siert. Die beschichtete Folie wird metallisiert und kon­tak­tiert und kann daraufhin mit einer zweiten Elek­trode und dem Elek­tro­lyten (z. B. Gel auf flexiblem, po­rösem Trä­germaterial) und ggf. der Separa­tormembran aufge­wi­ckelt und in einem Gehäuse gekapselt werden.

Erste Versuche mit einem Labormodell zeigten, dass die Kapazität nach 300 Ladezyklen stabil bei ca. 950 mAh/g lag.

• Hohes Potential zur Ionenaufnahme bei verbesserter mechanischer Stabilität
• Herstellung mechanisch flexibler Batterien
• Hohe Energiedichte durch große aktive Fläche: Stabile Ladekapazität von 950 mAh/g bereits im Laborversuch
• Einfache Serien- und Parallelschaltung von Einzel­zellen während des Abscheideverfahrens
• Kostengünstig durch geringen Materialbedarf und einfache Herstellung

Batterieelektroden aus Silizium sind für den Einsatz sowohl in Primärzellen (z. B. Silizim-Luft-Batterien) als auch Sekundärzellen (z. B. Li-Ion-Batterien) geeignet.