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Innovatives Materialdesign für hocheffiziente Energiespeicher

Ohne effiziente Energiespeicher und einhergehende Kosteneffizienz wird es keine Energiewende geben. Wie kann Energie möglichst effizient und über eine Vielzahl von Lade- und Entladezyklen gespeichert werden?

Nicht nur Mobiltelefone, Pkws mit Elektro- und Hybridantrieben, E-Bikes etc., sondern auch die Zwischenspeicherung von Energie aus grünen Energiequellen wie Sonne oder Wind nutzen hauptsächlich die Lithium(Li)-Ionen-Batterie-basierte Technologie.

Eine wichtige Komponente in der Batterie stellt neben der Kathode die sogenannte Anode dar. Üblicherweise besteht die Anode aus Graphit. Hinsichtlich hoher Kapazität und Kosteneffizienz ist Silizium eine sehr gute Alternative. Es hat ca. zehnfach größere spezifische Kapazität als Graphit, gilt als ein kostengünstiges Material und ist nicht toxisch. Aber Silizium (Si) zeigt während des Ladevorgangs eine bis zu 300%ige Volumenvergrößerung. Diese erzeugt mechanische Spannungen, die zu Rissen innerhalb der Anode führen sowie die elektrische und Ionenleitfähigkeit negativ beeinflussen. Die Frage ist deshalb: Wie kann man die Vorteile von Si für kommende Li-Ionen-Batterie-Generationen nutzen und die bestehenden Nachteile verringern?

Am Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) beschäftigt sich seit einigen Jahren ein interdisziplinäres Forscherteam rund um Roland Brunner mit der Charakterisierung von Materialien mittels 3D-Methoden sowie mit der computergestützten Auswertung der generierten Bilddaten. Innerhalb eines EU-Konsortiums wird in enger Zusammenarbeit mit VARTA Micro Innovation GmbH die Struktur der Anode bis auf Mikro- und Nano-Skalen materialwissenschaftlich so gestaltet, dass es zu verbesserten elektro-chemischen Eigenschaften hinsichtlich Energiedichte, Kapazität und Lebensdauer der Li-Ionen Batterie führt.

Am MCL werden zudem Bildanalysealgorithmen entwickelt, um einen möglichst hohen Grad an materialwissenschaftlicher Information aus den Bilddaten generieren zu können. Diese extrahierten Informationen fließen direkt an die Entwicklung bei VARTA ein und werden mit den elektro-chemischen Untersuchungen korreliert. In weiterer Folge entstehen verbesserte Designrichtlinien, die die Produktion von Anodenmaterialien über dem Stand der Technik ermöglichen.

Mehr Informationen:
www.mcl.at

Fotocredit: MCL

Entgeltliche Einschaltung in Form einer Medienkooperation mit österreichischen Forschungsinstitutionen. Die redaktionelle Verantwortung liegt beim JUST.