Heute geht vieles nicht mehr ohne sie. Lithium-Ionen-Akkus versorgen Smartphones und Tablets, Akkuschrauber und Modellautos oder Elektrofahrräder und -autos mit Strom. Vor rund 30 Jahren kam der erste dieser Akkumulatoren auf den Markt. Für die Technologie wiederaufladbarer Batterien ein Durchbruch. Doch mit immer neuer Technik kommen auch immer neue Ansprüche. Weltweit suchen Forscher deshalb nach Alternativen. Ein Team sächsischer Wissenschaftler und Ingenieure verfolgt nun eine neue Idee. Ihr Geheimnis ist Silizium.

Voraussetzung für den Erfolg von Lithium-Ionen-Akkus war die Entdeckung der reversiblen Einlagerung von Lithium in Materialien wie Graphit. Das kommt als Material in der negativen Elektrode der Batterie, der Anode, zum Einsatz. Doch in den vergangenen 25 Jahren sind die technologischen Grenzen von kohlenstoff-basierten Materialien wie Graphit ausgereizt worden. Nun sind neue Materialien gefragt, um die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus noch weiter zu steigern.

Problem der Volumenänderung gelöst

Mit Silizium wäre das möglich. Es weist bei Raumtemperatur eine mehr als zehnfach höhere Speicherkapazität auf und ist damit dem Graphit überlegen. Die Schwierigkeit bei der Verwendung von Silizium liegt jedoch in der durch die Einlagerung einer größeren Zahl von Lithium-Ionen hervorgerufenen großen Volumenänderung des Materials. Dies kann zu mechanischen Spannungen, Kontaktverlust und sogar zur Zerstörung der Anode führen.

Diesem Problem haben sich die Dresdner Wissenschaftler gewidmet. Ihre Silizium-Anode entsteht in einem rein physikalischen Verfahren aus Beschichtung und thermischer Behandlung mittels Blitzlampen. Dadurch wird die Siliziumstruktur verändert und das Problem der Volumenänderung gelöst. Ein industrieller Einsatz der Silizium-Anode sowie die Integration in bestehende Produktionsketten der Batteriefertigung sind innerhalb weniger Jahre geplant. Ziel ist es, dass in zwei Jahren die neuen Anoden serienmäßig in Hochleistungs-Akkus verbaut werden.

„Mit unserer patentierten Technologie erreichen wir eine Steigerung der Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus um mehr als 40 Prozent und können so die Reichweite von Elektroautos erheblich steigern“, erläutert Charaf Cherkouk, der am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) promovierte und dort im Innovationslabor Blitzlab tätig ist. „Silizium ist ein sehr gut verfügbarer Rohstoff“, erklärt Marcel Neubert, der ebenfalls am HZDR promovierte. Er fügt hinzu. „Die Akkus werden damit nicht nur leistungsfähiger, sondern auch deutlich kostengünstiger in der Herstellung.“ Um die Entwicklungen rund um die Idee weiter intensiv voranzutreiben, haben Cherkouk und Neubert die Firma NorcSi gegründet. Mit dabei sind außerdem Udo Reichmann und Georg Ochlich, deren Firma Rovak die bisherige Forschung bereits als Industriepartner unterstützte.

In ein bis zwei Jahren Realität

Die technologische Wende bei der Herstellung von Hochleistungs-Akkumulatoren für Energiespeicher und Elektroautos könnte, sagen die Gründer, in ein bis zwei Jahren bereits Realität werden. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der zunehmenden Elektromobilität steige die weltweite Nachfrage nach kostengünstigen Energiespeichern, die mobile Anwendungen mit hoher Reichweite gestatten.

Die HZDR-Ausgründung NorcSi ist der erste Transfer des Blitzlabs, das seit Anfang 2020 als eines von drei sogenannten Helmholtz Innovation Labs am HZDR verstärkt Kooperationen und gemeinsame Forschung mit der Industrie betreibt. Rovak ist von Anfang an Industriepartner des Blitzlabs. Hier steht die ultrakurze thermische Behandlung von Materialien mit Blitzlampen- und Laserausheilung im Vordergrund. Die Technologie, bei der Werkstoffe für Nano- bis Millisekunden sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, verspricht massive Energieeinsparungen und die Schaffung neuer Materialstrukturen.