Es ist die Achillesferse eines jeden mobilen technischen Geräts: der Akku. Auch das beste Smartphone, Notebook und Elektro-Fahrzeug ist nichts wert ohne einen anständigen und ausdauernden Akku, dank dem es erst so richtig mobil wird. An der Kieler Uni ist mit einem Silizium-Akku nun ein neuer Energiespeicher gebaut worden, der die zehnfache Ladekapazität gegenüber der heutigen Lithium-Ionen-Technik aufweist. Das Ganze hatte bis jetzt (wie ungefähr jede neue Technologie) allerdings einen Haken.
Wir alle kennen das Problem. Ihr sitzt in der Bahn auf dem Heimweg und wollt grade eine gemütliche Runde am Smartphone zocken, da erscheint die geliebte Warnung nur allzu unpassend: noch 15% Akku verbleibend. Auch die seltene Fahrt mit dem Elektroauto findet dank sich neigendem Akku ein jähes Ende an einer der in Deutschland (angeblich) weit verbreiteten Ladestationen. Blöd: Nach dem ausgiebigen Mittag ist der Akku erst zu einem Drittel aufgeladen.
Zwölf Minuten statt fünf Stunden Ladezeit
Diese und weitere Akku-Probleme sollen in Zukunft der Vergangenheit angehören, wenn es nach dem Institut für Materialwissenschaft an der Kieler Christian-Albrechts-Universität geht. Dort wurde der erste Akku auf Siliziumbasis entwickelt und gebaut. Im Vergleich zu aktuellen Lithium-Ionen-Akkus weist er das Zehnfache an Energiedichte auf. Zudem soll die Ladezeit viel kürzer als bei den heutigen Akkus ausfallen.
Im Labor an der Technischen Fakultät werden erste Prototypen von Silizium-Batterien unter dem Ausschluss von Sauerstoff getestet.
Im Gegensatz zu den heutigen Graphit-Anoden in Lithium-Ionen-Akkus wird beim Silizium-Akku 100 Prozent Silizium verwendet. Silizium ist das zweithäufigste Element der Erde und laut Projektleiterin Dr. Sandra Hansen ein ideales Anodenmaterial, weil es viel mehr Energie speichern kann als bspw. Graphit.
Am Institut wurde der Akku bis jetzt ca. 500-mal ge- und entladen. Dabei hat das Aufladen des Akkus nur ca. zwölf Minuten gedauert. Ein vergleichbarer Lithium-Ionen-Akku benötigt dafür etwa fünf Stunden. Zudem besitzt Silizium flammhemmende Eigenschaften und ist somit nicht so gefährlich bei der Nutzung wie heutige Akkus.
(Beim Titelbild handelt es sich übrigens um eine Siliziumscheibe, aus der die Anoden für die neuartigen Silizium-Batterien mit Hilfe eines Ätzverfahrens gewonnen werden.)
Instabilität durch drahtförmige Mikrostruktur beseitigt
Natürlich bringt jede neue Technologie, die bestehende Schwachstellen beseitigt, meistens auch einen eigenen Knackpunkt mit. Bei dem Halbmetall handelt es sich um die mechanische Instabilität und die damit verbundene kurze Lebensdauer der Siliziumanoden. Aufgrund der hohen Energiedichte nimmt das Material auch besonders viele Lithiumionen auf und kann sich daher auf das Vierfache des ursprünglichen Volumens ausdehnen. Das Resultat ist absehbar – der spröde Werkstoff bricht schnell in seine Einzelteile.
Silizium in Form solcher Mikrodrähte ist für die industrielle Produktion leider noch zu teuer in der Herstellung.
In ihrer Doktorarbeit konnte Hansen nun erstmals belegen, dass Silizium in der Mikrostruktur eines dünnen Drahtes ausreichend flexibel ist, um bei der starken Ausdehnung nicht zu zerspringen.
An dem Silizium-Akku wird natürlich nicht erst seit gestern geforscht. Die Wissenschaftler wissen um die Innovationsprobleme der Elektronik-Konzerne und beschäftigen sich bereits seit sieben Jahren mit der Materie. Das aktuelle Forschungsprojekt läuft allerdings erst seit ca. neun Monaten. Zudem wird mit der RENA Technologies GmbH schon an der industriellen Herstellung der neuen Silizium-Anoden gearbeitet.
Obwohl die Akkus vermutlich noch Jahre brauchen, bis sie tatsächlich im Einsatz sind, geben sich die Forscher damit noch nicht zufrieden. Sie wollen zukünftig eine Kathode aus Schwefel anfertigen, um die Akku-Speicherkapazität noch weiter zu erhöhen. Netter Nebeneffekt des Ganzen: Die Verwendung seltener Erden wird stark reduziert.
