Elektromobilität

Energiespeicher: Silizium-Akku senkt Ladezeit auf Minuten

von Alexander Kraft

Eben noch schnell tanken. Was beim Verbrenner in Minuten vonstatten geht, dauert beim E-Auto mitunter Stunden. Silizium könnte das ändern.

Ein Typ2-Stecker wie hier zu sehen unterstützt schnelles Laden. An der Uni Kiel forscht man derzeit an Akkus, die das ebenfalls tun.
Die Ladedauer eines E-Autos hängt nicht nur vom Steckertyp ab, sondern auch vom Akku. An der Uni Kiel forscht man derzeit an einer schnelleren Variante. Foto: Shutterstock / DavidSch

Das erfahren Sie gleich:

  • Was Silizium zum idealen Energieträger macht
  • Wie die Uni Kiel die bestehenden Probleme beseitigen will
  • Warum ein Prototyp bereits erste hoffnungsvolle Ergebnisse liefert

Silizium-Akku als Energiespeicher von morgen

Silizium gilt als ein Hoffnungsträger der Elektromobilität. Das chemische Element verspricht nicht nur mehr Reichweite für das Elektroauto, sondern auch eine längere Lebensdauer und kürzere Ladezeiten für den Akku. Doch aufgrund seiner mechanischen Instabilität war es bisher kaum möglich, Silizium als alternativen Energiespeicher in Lithium-Ionen-Batterien zu nutzen.

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Ein Team aus Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel will diese Hürde in einem Forschungsprojekt ausmerzen. Das auf drei Jahre ausgelegte und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt sucht nach einem Lösungsansatz, der das Speicherpotenzial von Silizium komplett ausschöpfen und den Silizium-Akku als Energieträger von morgen etablieren soll. Davon könnte nicht nur das Elektroauto profitieren, sondern auch Smartphones, Tablets und Laptops.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt ein kalifornisches Start-up, das ebenfalls Silizium statt Graphit in Lithium-Ionen-Akkus einsetzen will.

Zehn Mal mehr Energie

Dass Silizium einen hervorragenden Energiespeicher darstellt, ist schon lange bekannt. Am Kieler Institut für Materialwissenschaft beschäftigen sich Wissenschaftler seit mehr als 30 Jahren mit dem Halbmetall.

Theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Akkus.

Dr. Sandra Hansen, Uni Kiel

Die Materialwissenschaftlerin Dr. Sandra Hansen will mit ihrem Team nun Anoden aus 100 Prozent Silizium sowie ein Konzept für ihre industrielle Herstellung entwickeln. Gegenwärtig bestehen aufladbare Lithium-Ionen-Batterien aus etwa 10 bis 15 Prozent Silizium, die Anoden selbst aus Graphit.

Die Kathode, das Gegenstück zur Anode, will das Team aus Schwefel herstellen. "Eine Schwefelkathode bietet die maximal mögliche Speicherkapazität. Wir kombinieren in diesem Projekt also zwei Materialien, die eine wirklich hohe Leistungsfähigkeit der Batterie versprechen", sagt Hansen.

Der Grund, warum Silizium bislang noch nicht statt Graphit als Anodenmaterial genutzt wird, ist die hohe Empfindlichkeit des Halbleiters. Bei der Energieaufnahme von Lithium dehnt sich Silizium auf bis das Vierfache aus. Auf Dauer würde der Silizium-Akku daran schlicht zerbrechen. Ein Teilproblem, das ebenfalls innerhalb der drei Jahre gelöst werden soll.

Denn Forschungsleiterin Hansen ist sich sicher: "Theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Akkus. Es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien."

Ein weiterer Vorteil von Silizium neben der hohen Energiedichte: Es ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Denn schon gewöhnlicher Sand besteht fast ausschließlich aus Siliziumoxid. "Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde und damit eine nahezu unbegrenzte, kostengünstige Ressource", so zitiert die offizielle Pressemitteilung Hansen weiter.

Silizium, wie hier als Kristall, ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde.
Silizium ist das zweithäufigstes Element der Erde und eignet sich hervorragend als Energiespeicher. Foto: Uni Kiel / Geologisch-Mineralogisches Museum

Erster Prototyp bereits im Dauertest

Damit ein Elektroauto mit einem Silizium-Akku ausstattet werden kann, benötigen diese aber eine hohe Lebensdauer und stabile Ladezyklen. "Um die Zyklenfestigkeit von Siliziumbatterien zu erhöhen, müssen wir genau verstehen, was passiert, wenn sie sich beim Laden ausdehnen", sagt Hansen.

Im Rahmen ihrer Doktorarbeit fand sie heraus, dass sich Silizium in Form eines dünnen Drahtes flexibler verhält. Dadurch kann es auch der hohen Volumenausdehnung besser standhalten. Die Ergebnisse aus ihrer Doktorarbeit will Hansen nun auch in das Forschungsprojekt einfließen lassen.

Updates

Bleiben Sie zum Thema Elektromobilität immer informiert.

Über 500 Ladevorgängen hat ein erster Prototyp im Institut bereits standgehalten. 12 Minuten hat der Silizium-Akku dabei für eine vollständige Ladung benötigt – ein Lithium-Ionen-Akku hätte dafür 5 Stunden (300 Minuten) gebraucht, also mehr als 20 Mal so viel.

Zukünftig könnte sich durch die neue Akkutechnologie nicht nur die Reichweite von Elektroautos verlängern, sondern darüber hinaus auch die Ladezeiten auf ein alltagstaugliches Maß verkürzen.

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