Met zijn grote opslagcapaciteit heeft silicium voordelen ten opzichte van materialen in conventionele lithium-ion-batterijen. Maar door zijn mechanische instabiliteit was het tot nu toe nauwelijks mogelijk om silicium te gebruiken voor opslagtechnologie. Een onderzoeksteam van het Instituut voor Materiaalwetenschap aan de Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) wil in samenwerking met Rena Technologies anodes uit 100% silicium en een concept voor de industriële productie hiervan ontwikkelen.
Silicium behoort al lange tijd tot de oplossingen waar de elektromobiliteit op hoopt. Theoretisch is silicium het best materiaal voor anodes in accu’s. Het kan tot tien keer meer energie opslaan dan grafiet-anodes in conventionele lithium-ion-batterijen. Elektrische auto’s zouden daarmee groteere afstanden kunnen afleggen, mobiele telefoons langer bruikbaar zijn en het opladen zou duidelijk sneller gaan.
Een ander voordeel van het halfmetaal is de onbegrensde beschikbaarheid. Gewoon zand bestaat immers bijna uitsluitend uit siliciumdioxide (SiO2). Silicium is na zuurstof het meest voorkomende element op aarde en daarmee een nagenoeg onbegrensde en goedkope grondstof.
Silicium anodes
Tot nu toe was de levensduur van silicium anodes te gering om ze te gebruiken in accu’s. De reden daarvoor is de hoge gevoeligheid van het materiaal. Bij het opladen bewegen lithium-ionen op en neer tussen anode en kathode. Silicium als materiaal met de hoogste energiedichtheid neemt veel lithium-ionen op. Daardoor rekt het met zo’n 400% uit en zal op de duur breken.
Anoden in gangbare oplaadbare batterijen bestaat momenteel uit 10% tot 15% silicium. Vorig jaar starttehet onderzoeksproject ‘Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern’ (PorSSi). Doel van het project is een krachtige siliciumbatterij en een concept voor hun betaalbare industriële productie te creëren.
De samenwerking tussen CAU en Rena combineert de decennia lange ervaringen van fundamenteel onderzoek met kennis over de ontwikkeling van industriële processen en installaties. Op deze manier moet de kennis uit fundamenteel onderzoek zo snel mogelijk leiden tot industriële toepassing.
Laadproces
Om de levensduur van silicium batterijen te verhogen, moet precies bekend zijn wat er gebeurt als ze tijdens het laden uitrekken. Uit onderzoek blijkt dat silicium veel flexibeler is als het in de vorm van een dunne draad wordt geproduceerd en daarmee beter bestand is tegen de hoge volumetoename. Deze ontdekking wordt nu overgebracht op poreus silicium; het vrije volume hiervan biedt meer ruimte voor uitzetten.
De onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om te voorkomen dat de contacten naar de elektrode niet loslaten maar stabiel verbonden zijn. De onderzoekers willen de tegenpool (anode) uit zwavel maken. Een zwavelkathode biedt de maximaal mogelijke opslagcapaciteit. De onderzoekers combineren in het project dus twee materialen die hoge prestaties in de batterij beloven.
De onderzoekers willen de levensduur van silicium anode’s verder verbeteren met een speciale techniek: ze worden gemaakt uit wafers. Met een lithografische etsmethode wordt het oppervlak van de vlakke schijf op nanoniveau gestructureerd om bepaalde eigenschappen te verkrijgen. Met een verder ontwikkelde methode uit de solartechniek wordt het oppervlak aansluitend gedurende een bepaalde tijd onderworpen aan een optische test. Op deze manier kan worden vastgesteld op welk punt in het productieproces ongelijkmatige plekken in het oppervlak ontstaan die het vermogen van de anode verminderen.
Vooruitzichten
Momenteel duur het proces nog lang en is het zeer duur. Wanneer het de onderzoekers lukt dit over te dragen van een silicium schijf op een poreuze folie, kan men deze in slechts enkele minuten etsen. Door de samenwerking met Rena worden de onderzoeksresultaten direct toegepast in de ontwikkeling van nieuwe etsinstallaties. In de loop van dit jaar wordt aan de technische faculteit in Kiel een prototype gebouwd.
Als het inderdaad zou lukken dit type accu op grote schaal rendabel industrieel te produceren dan is dit een van de belangrijkste ontdekkingen van deze eeuw. Hiermee zou immers door massale opslag van elektriciteit het rendement van alle vormen van elektriciteitsopwekking enorm verbeteren met de daaraan gepaarde gunstige uitwerking op milieu en brandstofverbruik. Daarom is het merkwaardig dat deze ontdekking zo weinig aandacht krijgt in de mainstream media.
Deze ontwikkeling staat nog in de kinderschoenen. Mainstream media tonen in het algemeen pas interesse als dit type markt voor de massa beschikbaar is. Overigens is dit beslist niet de enige ontwikkeling op batterijengebied. Met name in Duitsland wordt hard gewerkt aan de ontwikkeling van batterijen op basis van magnesium-zwavel, lithium-zwavel of aluminium. Niet toevallig zijn deze batterijen vooral gebaseerd op ruimschoots voorhanden en goedkope materialen en niet op dure materialen waarbij China de prijs bepaalt.