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Siliziumbatterie

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Lithium-Siliziumbatterien, Siliziumanode, und Siliziumkomposite

Siliziumbatterie - Siliciumbatterie Silizium batterie akku
Siliziumbatterie - Siliciumbatterie Silizium batterie akku

Die Siliziumbatterie ist eine Bezeichnung für eine Unterklasse der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, bei der eine Anode auf Siliziumbasis und Lithiumionen als Ladungsträger verwendet werden. Materialien auf Siliziumbasis haben im Allgemeinen eine viel grössere spezifische Kapazität, z. B. 3600 mAh/g für reines Silizium, im Vergleich zu Graphit, das auf eine maximale theoretische Kapazität von 372 mAh/g für den vollständig lithiierten Zustand LiC6 beschränkt ist. 

Damit kann mit der reinen Siliziumanode in der Siliziumbatterie fast zehnmal mehr Energie gespeichert werden. Die grosse Volumenänderung von Silicium beim Einbringen von Lithiumionen ist neben der hohen Reaktivität im geladenen Zustand eines der Haupthindernisse für die Kommerzialisierung dieses Anodentyps. Kommerzielle Batterieanoden können geringe Mengen an Silicium enthalten, was ihre Leistung leicht erhöht. 

Lithium-Siliziumbatterien umfassen auch Zellkonfigurationen, bei denen Silizium in Verbindungen enthalten ist, die bei niedriger Spannung Lithium durch eine Verdrängungsreaktion speichern können, darunter Siliziumdioxid-Carbid, Siliziumonoxid oder Siliziumnitrid.

10-fache Kapazität mit Siliziumanode

Siliziumanode in siliziumbatterien logo
Siliziumanode in siliziumbatterien logo

Eine kristalline Siliziumanode hat eine theoretische spezifische Kapazität von 3600 mAh/g, etwa das Zehnfache der üblicherweise verwendeten Graphitanoden (begrenzt auf 372 mAh/g).

Jedes Siliziumatom kann in seinem vollständig lithiierten Zustand bis zu 3,75 Lithiumatome binden, verglichen mit einem Lithiumatom pro 6 Kohlenstoffatome beim vollständig lithiierten Graphit (LiC6)

Vergleich Volumenänderung und Kapazitäten von 5 Anoden nach Lithiierung

Anode

Lithiierte Anode

Kapazität (mAh/g)

Volumenänderung
nach Lithiierung

Reines Lithiummetall

Li

3862

–

Alumiumanode

Li9Al4

2235

604%

Zinnanode

Li13Sn5

990

252%

Siliziumanode

Li15Si4

3600

320%

Graphit

LiC6

372

10%

Problem der Volumen-Vergrösserung in Siliziumbatterien (lithiierte Anode) („Siliziumquellung“)

Der Gitterabstand zwischen den Siliciumatomen vergrössert sich bei der Aufnahme von Lithiumionen (Lithiierung) um ein Vielfaches und erreicht 321 % des ursprünglichen Volumens. Die Ausdehnung führt zu grossen anisotropen Spannungen in der lithiierten Anode (Silizium-Elektrodenmaterial), wodurch, dass die Elektrode bricht und zerbröckelt und sich vom Stromabnehmer ablöst. Eine Lösung für die Kapazitäts- und Stabilitätsprobleme, die sich aus der erheblichen Volumenausdehnung bei der Lithiierung ergeben, ist für den Erfolg von Siliziumbatterien entscheidend.

Da sich die Eigenschaften der Volumenausdehnung und -kontraktion von Nanopartikeln stark von denen der Masse unterscheiden, wurden Silizium-Nanopartikel, Nanodrähte als mögliche Lösung untersucht. Sie haben zwar einen höheren Anteil an Oberflächenatomen als herkömmliche Siliciumpartikel (Mesopartikel & Micropartikel), aber die erhöhte Reaktivität kann durch Umhüllung, Beschichtung oder andere Methoden, die den Kontakt zwischen Oberfläche und Elektrolyt begrenzen, kontrolliert werden Volumenänderungen verringern.

Lithium-Ionen: Hoffnungsträger Siliziumanode

Das chemische Element Silizium gilt als Hoffnungsträger für deutlich höhere Energiedichten, wenn man es als Anoden-Material in der Lithium-Ionen-Batteriezelle einsetzt. Seine volumetrische Energiedichte einer Siliziumanode übersteigt die von Graphit – dem im Jahr 2022 eingesetzten industriellen Standard – um fast das Dreifache. 

Siliziumkomposite in Lithium-Ionen-Batterien (LIB)

Die Batterie-Industrie verwendet heute einige Prozent-Anteil an Silizium zusammen mit anderen Kohlenstoff-Verbindungen als Silicium-Komposite in Lithium-Ionen Batterien. Eine reine wiederaufladbare «echte» Silizium-Batterie mit einer hohen Zyklenfestigkeit existiert noch nicht, da Siliziumbatterien schwierig stabil herzustellen sind.

Silikone - Silicone - sind siliciumhaltige Polymere - erklärt von WikiBattery dem Wikipedia für Batterien auf WikiBattery.org
Silikone - Silicone - sind siliciumhaltige Polymere - erklärt von WikiBattery dem Wikipedia für Batterien auf WikiBattery.org

Herstellung von Siliziumanoden

TEM-Aufnahmen-von-nano-SiO2-silica-Teilchen
TEM-Aufnahmen-von-nano-SiO2-silica-Teilchen
SEM-Bilder von SiO2-Granatäpfel-artigen, Mikrometer grossen Kieselsäure (SiO2) Clusters
SEM-Bilder von SiO2-Granatäpfel-Artigen, Mikrometer grossen Kieselsäure (SiO2) Clusters

Siliziumreaktivität

SEM Aufnahmen von porösen-Mikropartikel aus Silizium
SEM Aufnahmen von porösen-Mikropartikel aus Silizium

Jüngste Arbeiten von Han et al. haben eine In-situ-Beschichtungsmethode identifiziert, die die Redoxaktivität der Oberfläche eliminiert und die Reaktionen mit den Lösungsmitteln einschränkt, die stattfinden können. Obwohl es die mit der Volumenausdehnung verbundenen Probleme nicht beeinflusst, hat sich gezeigt, dass es bei Beschichtungen auf der Basis von Mg-Kationen die Zykluslebensdauer und die Kapazität erheblich erhöht, und zwar in ähnlicher Weise wie das filmbildende Additiv Fluorethylencarbonat (FEC).

Silikone

Silikone sind siliciumhaltige, elektrisch nicht leitfähige Polymere, die als Wärmeleitmaterialien (Klebstoffe, Füllstoffe und Dichtstoffe) in der E-Mobilität (Batterie-Packs) verwendet werden.

(Lithium-Siliciumbatterie, Siliciumanode, und Siliciumkomposite)

Literatur & Referenzen

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