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Lithium-Ionen-Akkus Mehr Reichweite, mehr Sicherheit: Dresdner Forschende entwickeln bessere Batterien

01. April 2021, 16:39 Uhr

Aus Sachsen kommen derzeit viele Innovationen bei der Akkutechnik. Nun geht das Fraunhofer-Institut Dresden einen Schritt weiter bei der Elektromobilität – mit der Entwicklung von effizienteren Lithium-Ionen-Batterien.

Die Elektromobilität gilt als Verkehrsform der Zukunft, doch noch gibt es einige Probleme zu lösen – etwa, was die Reichweite und die Sicherheit angeht. Dresdner Forschende versuchen, diese mit einem neuen Ansatz anzugehen. Dazu haben die Wissenschaftler vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) und vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zusammen mit mehreren Partnern aus der Wirtschaft Lithium-Ionen-Batterien weiterentwickelt – und zwar über neuartige Anoden. Der Begriff ist eventuell noch aus dem Physik-bzw. Chemie-Unterricht bekannt, dabei handelt es sich um positiv geladene Elektroden, oftmals bilden sie den Pluspol bei einer Batterie.

Nanoporöses Silizium als neuer Lösungsansatz

Die Experten nutzen für die Weiterentwicklung der Anoden sogenanntes nanoporöses Silizium, also eine besondere Form des Elements mit winzigen Poren im Nanobereich (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Dadurch ist die Oberfläche stark vergrößert und es ergeben sich spezielle optische und elektrische Eigenschaften, die bei der Herstellung von Akkus ausgenutzt werden. Letztlich kann so möglichst viel Energie auf möglichst kleinem Raum gespeichert und damit auch die Reichweite erhöht werden. Das nanoporöse Silizium wird dabei am IFAM in einem Extra-Projekt namens "RoSiLIB" erforscht. Neben höherer Energieaufnahme hat es laut der Forscher noch einen weiteren Vorteil.

"Unser Ansatz ist der, dass wir mit der inneren Porosität des Materials verhindern wollen, dass die Anode irgendwann zerstört wird", erläutert Olaf Andersen, Abteilungsleiter Zellulare Metallische Werkstoffe am IFAM, im Gespräch mit MDR WISSEN. Denn bei einer bestimmten Volumenvergrößerung infolge chemischer Reaktionen würde das Silizium ab einem gewissen Zeitpunkt sich selbst sprengen.

Sowohl für dieses Problem als auch für das sogenannte Ausgasen des Elektrolyten (Gasentstehung bei falscher Handhabung des Elektrolyten) wollen die Dresdner Lösungen entwickeln. Durch die Nutzung von Silizium seien die neuartigen Batterien auch besser vor Selbstentzündungen oder -explosionen geschützt, eine realistische Gefahr und das nicht nur bei Elektrofahrzeugen, sondern auch im Alltag und deshalb einer der Gründe, warum Akkus und Batterien nicht in den Hausmüll gehören.

Projekt wird für drei Jahre vom Wirtschaftsministerium gefördert

Ein drittes – und bei Akkus grundsätzlich gravierendes – Problem ist der Preis. Andere sächsische sowie chinesische Forschende versuchen, es mit einer billigeren Variante von Graphen anzugehen, einem elektrisch gut leitfähigen Kohlenstoff. "Wir nehmen dafür ein anderes kostengünstiges Ausgangsmaterial", erklärt Andersen, "und zwar statt hochreinem Silizium eines, das noch ausgelaugt wird". Beim Auslaugen wird eine Substanz durch chemische Prozesse aus einem festen Körper herausgelöst. Am Ende sollen so 500 Gramm nanoporöses Silizium pro Tag hergestellt werden können. Später sollen damit großformatige Hochenergiebatteriezellen aufgebaut werden, die mit den bisherigen Anodenmaterialien mit hoher Energiedichte nicht herstellbar sind.

Angelegt ist das Projekt, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird, auf drei Jahre. Olaf Andersen ist zuversichtlich, in dieser Zeit auch zu praktischen Ergebnissen zu kommen. Aktuell befinde man sich aber noch ganz am Anfang. "Wir sehen jetzt schon, dass wir bestimmte Strukturen schon sehr gut erzeugen können", von einem Anteil von 40 Prozent Silizium soll es mal hochgehen bis zu 80 Prozent. "Wir haben da schon sehr schöne Strukturen produziert", formuliert es Andersen richtig poetisch.

cdi