Der japanische Batteriehersteller GS Yuasa hat eine negative Elektrode auf Siliziummetall-Basis entwickelt, die bei Lithium-Ionen-Batterien zu einer höheren Energiedichte sowie längeren Lebenszyklen führen soll. Beide Parameter waren bislang mit vielen Herausforderungen hinsichtlich der Kommerzialisierung großer Batterien behaftet, vor allem für den Einsatz in Elektroautos. Dank  Siliziummetall erhöht sich einer Mitteilung des Unternehmens zufolge die Energiedichte der Batterien um das Dreifache im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Das Siliziummetall, das im Material der negativen Elektroden Verwendung findet, besitzt eine sehr hohe theoretische Kapazität von 4200mAh/g und steht als Rohstoff in großen Mengen zur Verfügung. Deshalb wurde es als neues Material für Lithium-Ionen-Batterien intensiv erforscht. Da jedoch Siliziummetall in Verbindung mit dem Lade-Entladezyklus eine extrem große Volumenänderung von ungefähr 400 Prozent erfährt, tritt bei wiederholtem Laden und Entladen der Batterie eine Zersetzung einschließlich Pulverisierung und Isolation auf. Infolgedessen verfügen solche Batterien über einen geringen Coulomb-Wirkungsgrad und eine schlechte Zyklenleistung, weshalb der praktische Einsatz von Siliziummetall-Elektroden als schwierig galt – insbesondere für große Batterien, die in elektrisch betriebenen Fahrzeugen zum Einsatz kommen und über lange Zeiträume zuverlässig funktionieren müssen.

GS Yuasa ist es eigenen Angaben nach nun gelungen, den Coulomb-Wirkungsgrad und die Zyklenleistung zu verbessern, indem die optimale Partikelgröße und Elektrodenstruktur für die Elektroden gesucht und gefunden wurde, um Siliziummetall nutzen. Damit ließ sich die Technologie für hohe Energiedichten auf ein dreimal höheres Niveau als bisher verbessern. Mit dieser Technologie lässt sich die Siliziummetall-Elektrode in allen Feststoffbatterien anwenden, für die weitere technologische Innovationen und eine breitere Verwendung geplant sind. Die Zyklenfestigkeit dieser Siliziummetall-Elektrode will GS Yuasa weiter verbessern, um sie bis etwa 2025 in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einzusetzen.

Technologische Verbesserungen im Überblick

• Höherer Coulomb-Wirkungsgrad und verbesserte Zyklenleistung durch optimale Partikelgröße des Siliziummetalls: Bei kleiner Partikelgröße ist der Coulomb-Wirkungsgrad niedrig, bei großer Partikelgröße ist die Zyklenleistung aufgrund der Pulverisierung gering. GS Yuasa stellte fest, dass die Anwendung von Siliziummetall bei einer optimalen Partikelgröße diese beiden Parameter verbessert.
• Höhere Entladungseigenschaften durch die Kombination verschiedener leitfähiger Additive
• In einer Elektrode wird in der Regel ein einziger Typ an leitfähigen Additiven verwendet. Bei einer Siliziummetall-Elektrode verbesserte sich jedoch die Elektroden-Formbarkeit durch die Verwendung mehrerer leitfähiger Additive. Zudem zeigte sich, dass die verbesserte Leitfähigkeit der Elektrode zu einer besseren Entladeperformance führt.
• Bessere Eignung für die Massenproduktion durch Einsatz eines wasserlöslichen Bindemittels
• Bei der Herstellung von Siliziummetall-Elektroden treten manchmal Verfahren auf, die sich nicht für die Massenproduktion eignen, wie die Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre. Der Einsatz eines wasserlöslichen Bindemittels vereinfachte jedoch das Verfahren. GS Yuasa gelang es, eine Elektrodenstruktur zu finden, die sich sehr gut für die Massenproduktion eignet und zusätzlich eine hohe Bindungsstärke behält.

Quelle: GS Yuasa – Pressemitteilung