SilKompAs - Silizium-basierte Kompositanoden zur Anwendung in sulfidischen Feststoffbatterien

Abstract

Da Festkörperbatterien eine Schlüsseltechnologie für die Energiespeicherung werden, ist die Entwicklung geeigneter Elektrodenmaterialien entscheidend für ihre Industrialisierung. Das Projekt SilKompAs lieferte wertvolle Erkenntnisse zu Silizium-Kohlenstoff-Verbundanoden und unterstützt deren mittel- bis langfristige Kommerzialisierung. Durch Materialoptimierung und elektrochemische Tests wurde die Machbarkeit von Si-basierten Anoden in Festkörpersystemen nachgewiesen. Untersucht wurden zwei Anodentypen: Si mit dampfgezüchteten Kohlenstoffnanofasern und Si mit Graphit. Die Si/Graphit-Verbundstoffe zeigten bessere Zyklusstabilität und wurden weiterverfolgt. Ein Siliziumanteil von etwa 10 % bot den besten Kompromiss zwischen Kapazität und mechanischer Belastung. Die optimierte Si/Graphit-Anode wurde mit einer nickelreichen Schichtoxidkathode kombiniert, um Vollzellen herzustellen. Durch Anpassung des negativen-zu-positiven (N/P) Kapazitätsverhältnisses verbesserten sich Anfangskapazität und Zyklusstabilität. Die Zellen zeigten gute Leistungsfähigkeit, waren jedoch druckempfindlich, was weitere mechanische Optimierungen erforderlich macht. Wichtige Erkenntnisse betreffen den Einfluss partieller elektronischer und ionischer Leitfähigkeiten, der Tortuosität und des druckabhängigen Verhaltens auf die Gesamtleistung. Diese Ergebnisse verbessern das Verständnis, wie Anodenzusammensetzung und -verarbeitung das elektrochemische und chemomechanische Verhalten beeinflussen. Die entwickelten Materialien und Prozesse sind mit skalierbaren, industriellen Fertigungsmethoden kompatibel. Trotz niedrigerer Energiedichte als bei Lithium-Ionen-Batterien überzeugen die Festkörperzellen durch Sicherheit, thermische Stabilität und mechanische Robustheit, was sie für stationäre Speicher und sicherheitskritische Anwendungen attraktiv macht. SilKompAs stärkt so Deutschlands Position in der Batterieinnovation und schafft eine solide Basis für die Weiterentwicklung von Festkörperbatterien mit Silizium-Kohlenstoff-Anoden.