Langlebiges Leichtgewicht – Batterie aus Silizium

Neu gegründeter Institutsbereich erforscht Grundlagen für neue elektrochemische Energiespeicher und -wandler

04.10.2012 - Deutschland

Silizium bildet nicht nur die Grundlage für Computerchips. Es ist auch ein vielversprechendes Material für künftige leistungsfähige Energiespeicher. Die Silizium-Luft-Batterie könnte langfristig Lithium-Ionen-Akkus in verschiedenen Bereichen ersetzen. Sie gilt als besonders umweltfreundlich, hocheffizient und unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Im neu gegründeten Jülicher Institutsbereich „Grundlagen der Elektrochemie“ sollen die eingesetzten Werkstoffe weiter optimiert werden, um den neuartigen Batterietyp bis zur Marktreife weiterzuentwickeln.

Die Energiedichte von Silizium-Luft-Batterien ist mit über 1000 Wh/kg mehr als fünfmal höher als die von gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien. Das Speicherpotenzial ist damit vergleichbar mit Lithium-Luft-Batterien, die sich zurzeit ebenfalls noch in der Entwicklung befinden. Anders als diese bestehen Silizium-Luft-Batterien aber aus umweltverträglichen, ungiftigen Komponenten und versprechen nach derzeitigem Wissen eine Lebensdauer von Tausenden Stunden. Nässe und Temperaturschwankungen können ihnen kaum etwas anhaben, während Lithium-Batterien explosiv auf das Eindringen von Wasser oder Luftfeuchtigkeit reagieren. Zudem ist Silizium – anders als Lithium – praktisch in unbegrenzter Menge verfügbar. Es ist eines der am häufigsten auf der Erde vorkommenden Elemente und wird aus Sand gewonnen. So wären auch Speicher mit großer Kapazität problemlos und kostengünstig realisieren, ohne auf knappe Ressourcen Rücksicht nehmen zu müssen.

Bei der Silizium-Luft-Batterie ist nur die Anode als Feststoff ausgelegt. Anstelle der Kathode besitzt sie eine luftdurchlässige Membran, durch die der gasförmige Reaktionspartner, Luftsauerstoff, in die Zelle gelangt. Ein Prototyp wurde 2009 erstmals in der Gruppe von Prof. Yair Ein-Eli am Technion im israelischen Haifa vorgestellt. Derzeit werden Silizium-Luft-Batterien in Hörgeräten erprobt, danach soll der Einsatz in anderen Kleingeräten folgen. Langfristig ist auch die Anpassung für leistungsstärkere Anwendungen wie Elektroautos geplant.

„Problematisch bei diesem Typ Batterie sind allerdings noch bisher unverstandene elektrochemische Reaktionen, die zu einem verfrühten Abbruch der Batterieentladung führen. Hier wollen wir ansetzen und mit neuartigen spektroskopischen Methoden zunächst die grundlegenden Mechanismen aufklären, die zur Batteriedegradation führen, um anschließend verbesserte Materialien entwickeln zu können“, berichtet Prof. Rüdiger-A. Eichel. Der studierte Physiker befasst sich seit seiner Habilitation an der TU Darmstadt mit neuartigen Materialien der Energiewandlung und -speicherung und ist seit dem 1. Oktober 2012 Direktor des neuen Jülicher Institutsbereich „Grundlagen der Elektrochemie“ des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).

„Die Gründung des Institutsbereichs zu den Grundlagen der Elektrochemie ist Teil unserer verstärkten Aktivitäten im Bereich der Energieforschung, speziell in der Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe als Grundlage für neue Energiespeicher und -wandler“, erläutert Prof. Harald Bolt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich. „Durch diese Forschung zur Energiespeicherung schaffen wir eine der wichtigsten Voraussetzungen für den erfolgreichen Umbau zu einem nachhaltigen Energiesystem.“

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