Tiempos de vida más largos, rangos más amplios y recargas más rápidas:desarrollos como la movilidad eléctrica o la miniaturización de la electrónica requieren nuevos materiales de almacenamiento para las baterías. Con su enorme capacidad de almacenamiento, El silicio podría tener ventajas decisivas sobre los materiales utilizados en las baterías de iones de litio disponibles en el mercado. Pero debido a su inestabilidad mecánica, Hasta ahora ha sido casi imposible utilizar silicio para la tecnología de almacenamiento. Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Kiel, en cooperación con la empresa RENA Technologies GmbH, está desarrollando ánodos hechos 100% de silicio, así como un concepto para su producción industrial. A través de la estructuración específica de su superficie a nivel micrométrico, el equipo puede aprovechar al máximo el potencial de almacenamiento del silicio. Esto abre un enfoque completamente nuevo para las baterías recargables, así como el almacenamiento de energía del mañana. Esta semana, los socios presentan la producción y el uso potencial de ánodos de silicio en la Hannover Messe (23-27 de abril), en el stand de CAU (Hall 2, C07).

El silicio ha sido durante mucho tiempo un candidato potencial para la movilidad eléctrica, según la científica de materiales Dra. Sandra Hansen. "Teóricamente, el silicio es el mejor material para los ánodos de las baterías. Puede almacenar hasta 10 veces más energía que los ánodos de grafito en las baterías de iones de litio convencionales. "Los coches eléctricos podrían conducir más lejos, las baterías de los teléfonos inteligentes podrían durar más, y la recarga sería significativamente más rápida. Una ventaja adicional del material semiconductor es su disponibilidad ilimitada; después de todo, la arena se compone principalmente de dióxido de silicio. "El silicio es el segundo elemento más abundante en la tierra después del oxígeno, y, por tanto, un recurso rentable casi ilimitado, "dijo Hansen.

Sin embargo, Hasta ahora, la vida útil de los ánodos de silicio era demasiado corta para usarlos realmente en baterías recargables y recargables. La razón de esto es la alta sensibilidad del material. Durante la carga, Los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el ánodo y el cátodo. Silicio, como el material con mayor densidad energética, puede absorber una gran cantidad de iones de litio. Mientras lo hace, se expande en un 400 por ciento, y se rompería a la larga.

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Kiel, El silicio se ha investigado durante casi 30 años. Los hallazgos hasta la fecha, combinado con la experiencia en silicio de RENA Technologies GmbH obtenida de la tecnología solar, debería contribuir a producir ánodos de batería hechos 100% de silicio. Esto permitiría aprovechar al máximo su potencial de almacenamiento:los ánodos de las baterías recargables convencionales contienen sólo aproximadamente entre un 10 y un 15 por ciento de silicio. Para perseguir este objetivo, el proyecto de investigación conjunto "Desarrollo y caracterización de grandes, ánodos de película porosa de Si para almacenamiento de energía de litio-azufre-silicio "(PorSSi) comenzó el año pasado, que ha obtenido un total de un millón de euros en financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF, más detalles ver más abajo). El resultado al final debería ser una batería de silicio de alto rendimiento, junto con un concepto para su producción industrial rentable.

"La cooperación entre la Universidad de Kiel y RENA es una combinación altamente eficiente de décadas de experiencia en investigación fundamental con experiencia en desarrollo de equipos y procesos industriales, "enfatizó el Dr. Holger H. Kühnlein, Vicepresidente senior de tecnología en RENA Technologies GmbH. "De este modo, podemos transferir los resultados de la investigación universitaria a aplicaciones industriales lo antes posible, "añadió el profesor Rainer Adelung, jefe del grupo de trabajo de Nanomateriales Funcionales en la Universidad de Kiel, donde se realizaron muchos de los descubrimientos hasta la fecha sobre el silicio. Adelung:"Esta es una verdadera transferencia de innovación".

"Para aumentar la estabilidad cíclica de los ánodos de silicio en las baterías, necesitamos entender exactamente qué sucede cuando se expanden mientras se cargan, "dijo Hansen. Durante su tesis doctoral, descubrió que el silicio se comporta mucho más flexible cuando se produce en forma de alambre delgado. Estos hallazgos ahora se transfieren al silicio poroso:su volumen libre deja más espacio para la expansión. Para evitar que se rompan los contactos con el electrodo, Hansen ha desarrollado y patentado conjuntamente un método para una conexión estable entre los dos. El equipo quiere fabricar la contraparte del ánodo, el cátodo, a partir de azufre. "Un cátodo de azufre proporciona la máxima capacidad de almacenamiento posible. Así que en este proyecto, Combinamos dos materiales que prometen un rendimiento realmente alto de la batería, "dijo Hansen.

Hansen quiere mejorar aún más la vida útil de los ánodos de silicio, a través de un control de calidad especial durante la fabricación:se producen a partir de una llamada oblea. Usando un proceso de grabado litográfico, la superficie de este disco plano está estructurada a nanoescala, para darle propiedades específicas. Con un método mejorado del campo de la tecnología solar, Luego, Hansen lleva a cabo una inspección visual de la superficie durante un período de tiempo. De este modo, se puede determinar en qué punto del proceso de fabricación se han desarrollado áreas irregulares en la superficie, que reducen el rendimiento del ánodo.

"En este momento, este proceso todavía lleva mucho tiempo y es muy caro. Si logramos transferirlo de una oblea de silicio a una película porosa, podríamos grabarlos en solo unos minutos, ", dijo Hansen. A través de la cooperación con RENA, los resultados de la investigación fluyen directamente hacia el desarrollo de nuevos sistemas de grabado. Se producirá un prototipo en el transcurso del período de tres años del proyecto, e instalado en la Facultad de Ingeniería de Kiel.