Siliziumanoden von Enevate versprechen 400km Reichweite in 5 Minuten

Veröffentlicht am: 01.04.2020

Die Suche nach verbesserten Materialien für die Herstellung Lithium-Ionen-Batterien treibt die Forschungslandschaft, OEMs sowie Batteriehersteller seit langer Zeit um. Die meisten gängigen Batteriesysteme nutzen wie auch bereits die ersten kommerziell verfügbaren Lithium-Ionen-Akkus Graphit als Anodenmaterial. Das Material erlaubt das energieeffiziente sowie kontrollierte einlagern und wieder freigeben von Lithium-Ionen, hat dabei aber den gewichtigen Nachteil, dass Graphitanoden zehnmal so schwer sind wie reine Lithiumanoden. Es lassen sich folglich nur relativ geringe gravimetrische Energiedichten erzielen. Seit Jahren versuchen Batteriehersteller und Forscherteams weltweit daher die Graphitanode in Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen.

Neben weiteren Herstellern versucht der kalifornische Batterieentwickler Enevate die Graphitanode durch Silizium zu ersetzen. In der Regel setzen Hersteller dabei auf Siliziumoxid oder eine Mischung aus Silizium und Kohlenstoff. Beim Ladevorgang werden Lithium-Ionen von der Kathode in die Anode eingelagert. Je mehr Ionen die Anode einlagern kann, desto höher die Batteriekapazität und damit die Fahrzeugreichweite. In der Theorie kann Silizium zehnmal mehr Energie als Graphitanoden aufnehmen und wäre somit ein idealer Ersatz. Leider dehnt sich das Material beim Lade- und Entladevorgang auch dramatisch aus und zieht sich wieder zusammen, sodass es nach einigen Ladevorgängen beginnt auseinanderzubrechen. Um das zu umgehen, fügen Batteriehersteller heute nur sehr geringe Mengen Silizium zum Graphitpulver hinzu. Das mit einem Binder homogen gemischte Slurry wird dann auf die Trägerfolie aus Kupfer aufgetragen, um so die Anode herzustellen. Laut Benjamin Park, CTO und Co-Founder von Enevate, ist bei dieser Herangehensweise das Problem, dass die Lithium-Ionen trotzdem zunächst mit dem Silizium reagieren, dieses stärker expandiert als das Graphit und die Binder nicht stark genug sind, sodass die Elektrode mit zunehmender Menge an Silizium eher dazu neigt zu zerfallen.

Enevate setzt im Gegensatz zu anderen Herstellern auf poröse Schichten, die zu einem Großteil aus reinem Silizium bestehen und verzichtet auf die Verwendung von Bindern. Mithilfe seines patentierten Verfahrens erzeugt Enevate poröse 10 bis 60 µm dicke Siliziumschichten direkt auf der Kupferfolie. Nachträglich wird zusätzlich eine nanometerdicke Schutzschicht aufgetragen, die verhindern soll, dass das Silizium mit dem Elektrolyten reagiert. Das Problem der Ausdehnung will Park dadurch umgehen, dass die Batterien nicht vollständig bis zu ihrer theoretischen Kapazität geladen werden. Da das Material aber fast vollständig aus Silizium besteht, können sich die Lithium-Ionen besonders schnell einlagern und wieder freigesetzt werden. Eine Ladung der Batterie auf 75% bzw. für 400km Reichweite kann somit in einem 5-minütigen Ladevorgang erreicht werden. Park vergleicht diesen Vorgang mit einem Kinosaal „Wenn Sie ein volles Kino haben, dauert es lange, den einen leeren Platz zu finden. Wir haben ein Kino mit zehnmal mehr Kapazität. Selbst wenn wir dieses Kino zur Hälfte ausfüllen, dauert es immer noch nicht lange, um leere Plätze zu finden.“ In ersten Prototypen konnte die erhöhte Energiedicht mit 350kWh/kg nachgewiesen werden. Dies ist eine Steigerung um 30% verglichen mit gängigen Systemen.

Laut eigenen Angaben ist der Herstellprozess der Siliziumanode massentauglich und Enevate arbeitet bereits mit mehreren namhaften Automobilherstellern zusammen die entwickelte Batterietechnologie zur Marktreife zu bringen. Bereits 2024-25 sollen erste Modelle mit der neuartigen Batterie auf den Markt kommen. Wir bleiben gespannt, ob die hochgesteckten Ziele erreicht werden können.

Quellen:

https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/batteries-storage/enevates-silicon-anodes-could-give-batteries-that-run-400-km-on-a-5minute-charge

https://www.enevate.com/revolutionizing-electric-vehicles/