Ein neues Forschungsprojekt in Baden-Württemberg könnte eine entscheidende Wende im Bereich Lithium-Ionen-Batterien (LIB) bringen. Das Projekt mit dem Namen FACILE, das am 1. Juli 2025 gestartet ist und bis Ende Juni 2027 laufen soll, zielt darauf ab, Silizium-Anoden zu entwickeln, die die Energiedichte dieser Batterien um mindestens 250% steigern. Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg fördert dieses Vorhaben mit 1,28 Millionen Euro. Silizium hat eine theoretische Speicherfähigkeit von bis zu 4.200 Milliampere-Stunden pro Gramm — mehr als das Zehnfache von Graphit. Dadurch könnte der Einsatz von Silizium die Effizienz und Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien revolutionieren.Oekonews berichtet, dass die Herausforderung bei Silizium-Anoden in der signifikanten Volumenausdehnung liegt, die beim Laden und Entladen auftritt. Dies führt häufig zu Rissen und einem Verlust der Kapazität.

In dem Rahmenprojekt wird an innovativen Lösungen gearbeitet, um diese Probleme zu adressieren. Das Konzept sieht vor, Silizium-Anoden auf faserbasierten, elektrisch leitfähigen Vliesstoffsubstraten aufzubauen. Diese sollten dazu beitragen, die Volumenänderungen der Anoden während des Lade- und Entladevorgangs abzufedern. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm testet die neuen Silizium-Anoden zunächst in kleinen Laborzellen und arbeitet an der Optimierung der Produktionsprozesse für größere Batterieformate.

Das Konsortium und seine Partner

Das FACILE-Projekt umfasst ein Konsortium aus vier Partnern, die jeweils spezifische Fachkompetenzen beisteuern:

  • centrotherm international AG: Entwicklung einer Hochdurchsatzanlage zur Siliziumbeschichtung.
  • Phoenix NonWoven GmbH & Co. KG: Entwicklung spezieller Vliesstoffe.
  • ISC Konstanz e.V.: Untersuchung der Verbindung von Vliesmaterial und Kupferfolie.
  • Universität Konstanz, Bereich Photovoltaik: Durchführung von Materialanalysen.
  • ZSW Ulm: Aufbau, Charakterisierung und Test kompletter Batteriezellen.

Die Zielsetzung des Projekts ist es, die gesamte Wertschöpfungskette zu betrachten und zu optimieren, von den verwendeten Materialien über die Produktion bis hin zur fertigen Batterie. Durch diese innovative Herangehensweise soll die Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien neu definiert werden.

Vorteile und Herausforderungen von Silizium-Anoden

Siliziumanoden bieten im Vergleich zu traditionellen Grafitanoden zahlreiche Vorteile: Sie speichern mehr Energie pro Volumen und Gewicht und sind zudem schneller ladefähig. Laut Angaben der Universität Münster können selbst Kompositanoden, in denen Grafit den Hauptanteil ausmacht, durch einen geringen Siliziumanteil von 2-5% in Form von Siliziumoxid (SiOx) eine dreifache spezifische Kapazität erreichen. 100% Silizium-Anoden haben das Potenzial für eine zehnfache spezifische Kapazität, befinden sich jedoch noch in der Forschungsphase.

Dennoch bestehen große Herausforderungen. Bei Siliziumanoden kann es zu Volumenänderungen von bis zu 300% beim Laden und Entladen kommen, während Grafit lediglich etwa 10% Volumenausdehnung zeigt. Diese extreme Veränderung kann die Solid Electrolyte Interphase (SEI) aufreißen und zu Verlusten von Lithium und damit Kapazität führen. Derzeit wird an Lösungen gearbeitet, die die mechanische Stabilität von Siliziumanoden erhöhen sollen, wie etwa flexible Elektrolyten, spezielle Beschichtungen und Binder-Systeme.

Insgesamt scheinen Silizium-Anoden das Potenzial zu besitzen, einen tiefgreifenden Wandel in der Technologie der Lithium-Ionen-Batterien zu bewirken, was nicht nur die Speicherkapazität, sondern auch die Langlebigkeit und Nachhaltigkeit der Batterien betrifft.