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Batterien aus winzigen Partikeln

Nanomaterialien, die den Energiegehalt von Lithium-Ionen-Batterien um 15 Prozent steigern, produzieren derzeit Forscher des Center for Nanointegration (Cenide) der Universität Duisburg-Essen. Zudem sind die Nanomaterialien gleichzeitig in der Lage, die Kosten in der Serienproduktion um sieben Prozent zu senken - denn eine Batterie mit Nanokomponenten benötigt laut Cenide weniger Material, da dessen Speicherkapazität höher ist. Gespart werde also am Material, obwohl gleichzeitig der Energie-Inhalt steige.

Für ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen müssen Batterien vor allem leicht sein und schnell viel Energie liefern, weiß Cenide. Deshalb stünden Batterien mit maximaler Leistung, häufigen Lade- und Entladezyklen sowie geringem Preis im Fokus der Forschung. Die besten Aussichten für deren Produktion bieten winzigste Partikel. Unter der Leitung von Cenide forscht das Nano-Energie-Technik-Zentrum (NETZ) daher an nanoskaligem Silizium-Kohlenstoff-Kompositmaterial für die Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien.Lange Zeit habe es ganz einfach an ausreichenden Mengen von Nanomaterial gefehlt, um neue Technologien zu testen oder gar zu produzieren. Doch seit dem Jahr 2009 steht im Duisburger Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) eine Anlage (Bild) zur Herstellung kleinster Partikel mit definierten Eigenschaften im Kilogramm-Maßstab. So entstehen dort auch nanoskalige Siliziumpartikel, die Forscher des Nanointegration-Zentrums für die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie verwenden: Eingebettet in eine Matrix aus Kohlenstoff sollen dementsprechend die winzigen Silizium-Partikel in den Elektroden Speicherdichte und Leistung der Batterien verbessern.

"Wir sind optimistisch, dass wir innerhalb der nächsten zwei Jahre die wichtigsten Tests durchgeführt haben und dann in die Industrialisierung der Prozesse gehen können", berichtet Professor Dr. Christof Schulz, der mit über 50 Wissenschaftlern an dem Thema arbeitet. "In der Serienproduktion können wir dadurch nicht nur die Energiedichte der Batterien erhöhen, sondern auch die Kosten zusätzlich um sieben Prozent senken."

Die Forschung an Lithium-Ionen-Batterien konzentriere sich derzeit darauf, die Kapazität dieser Speicher zu steigern, um längere Laufzeiten zu ermöglichen, berichtet Cenide. Bisher hätten Graphit-Elektroden als Speicher für Lithium-Atome gedient. Eine aussichtsreiche Alternative stellt allerdings Silizium dar, so das Zentrum. Denn Silizium könne bei gleichem Volumen deutlich mehr Lithium aufnehmen. Problematisich sei jedoch die damit zusammenhängende Volumenveränderung: Speichert eine Graphit-Elektrode Lithium, vergrößert sie sich um neun Prozent, im Fall einer Siliziumelektrode sind es 300 Prozent, berichtet Cenide.

Das Einlagern des Lithiums führe daher zu mechanischen Schäden an der Siliziummatrix, die auf Dauer zu einer Kapazitätsverringerung führen würden. Hier kommt nun der Vorteil des nanoskaligen Siliziums zum Tragen, erklärt das Zentrum: Es ist aufgrund seiner geringen Größe und der Porosität der zusammenhängenden Partikel deutlich stabiler als sein makroskopisches Pendant. Ein Kompositmaterial aus Siliziumpartikeln, eingebettet in eine Matrix aus Kohlenstoff, könne daher Eigenschaften wie gute Leitfähigkeit, hohe Speicherdichte und Stabilität vereinen.

(Panorama: Cenide, Universität Duisburg-Essen; Bild: Cenide, Universität Duisburg-Essen)
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