Batterieelektroden aus Siliziumschichten mit optimierter Porosität und Mikrostruktur
Kurzfassung
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.
Hintergrund
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.
Problemstellung
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.
Lösung
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.
Vorteile
- 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
Anwendungsbereiche
Batterieelektroden aus Silizium sind für den Einsatz sowohl in Primärzellen (z. B. Silizim-Luft-Batterien) als auch Sekundärzellen (z. B. Li-Ion-Batterien) geeignet.