Doch dieser Vorteil bringt technische Hürden mit sich. Beim Laden kann sich Silizium um bis zu 300 Prozent ausdehnen und führt zu strukturellen Schäden, die die Lebensdauer der Batterie drastisch verkürzen können.
Vom Problem zur Lösung: Wie Silizium stabilisieren kann
Die Hauptursache für den Kapazitätsverlust liegt in der instabilen Silizium-Elektrolyt-Grenzfläche, die sich bei jedem Ladezyklus neu bildet. Zusätzlich bewirken Volumenschwankungen durch das Eindringen von Lithium in Silizium einen Übergang von kristallinem zu amorphem Silizium. Neueste Forschung am MCL zeigt: Auch mechanische Belastungen können diesen Phasenwechsel auslösen und sogenannte Scherbänder, lokale mikroskopische Verformungen, die das Kristallgitter destabilisieren, erzeugen. Paradoxerweise können genau diese Übergänge unter bestimmten Bedingungen sogar stabilisierend wirken, indem sie Spannungen im Material ausgleichen und so das Fortschreiten der Degradation verlangsamen, siehe kürzlich erschienene Publikation im Nature Journal Portfolio.
Neuer Blick dank Hochtechnologie
Durch hochauflösende Analysemethoden wie 4D-STEM, Synchrotron-Nanotomographie und KI-gestützte Bildverarbeitung konnten Forscherinnen und Forscher am MCL und Partnerinstitutionen diese Prozesse erstmals detailliert sichtbar machen. Die im Projekt ASSESS gewonnenen Erkenntnisse schaffen eine Grundlage für die Entwicklung robusterer Siliziumarchitekturen und sind ein entscheidender Schritt hin zu langlebigeren Batterien für Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeicher. Silizium bleibt ein Schlüsselmaterial für die Batterietechnologie der Zukunft, wenn es gelingt, seine komplexen Eigenschaften gezielt zu kontrollieren.
