Das Zeitalter des Siliziums ist da … für Batterien

Seit dem kommerziellen Debüt von Lithium-Ionen-Batterien vor drei Jahrzehnten hat diese tragbare und hochdichte (und mit dem Nobelpreis ausgezeichnete) Energiespeichertechnologie die Bereiche Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeuge und Energiespeicherung im großen Maßstab revolutioniert. Und doch wurden trotz der enormen Fortschritte der Technologie – beispielsweise ein unglaublicher Preisverfall um das Dreißigfache zwischen 1991 und 2018 – die größten Verbesserungen hauptsächlich auf der Seite der Lithium-Metalloxid-Kathode erzielt. Die Graphitanoden von Lithium-Ionen-Batterien hingegen sind weitgehend gleich geblieben.

Silizium gilt seit langem als vielversprechendes Medium für Anoden, da es gewichtsmäßig zehnmal so viele Lithiumionen aufnehmen kann wie Graphit. Tatsächlich ist die erste dokumentierte Verwendung von Silizium als Anode für Lithiumbatterien sogar sieben Jahre älter als die von Graphit. Experimente mit diesem Element waren jedoch mit technischen Herausforderungen verbunden – einschließlich der Volumenausdehnung der Anode bei Beladung mit Lithiumionen und dem daraus resultierenden Materialbruch, der auftreten kann, wenn sich eine Anode ausdehnt und zusammenzieht.

Doch nun, nach etwa 15 Jahren schrittweiser Verbesserungen und enttäuschter Hoffnungen, ist die Zeit für Silizium als Hauptmaterial in Batterien endlich gekommen.

„Silizium hat die Art und Weise, wie wir Informationen speichern, verändert, und jetzt verändert es die Art und Weise, wie wir Energie speichern.“ – Rick Costantino, Group14

Einige Autohersteller und Siliziumanoden-Startups haben sich zusammengetan, um kostengünstigere Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite zu produzieren, die Mitte des Jahrzehnts auf die Straße kommen könnten. General Motors und OneD Battery Sciences in Palo Alto, Kalifornien, integrieren die Silizium-Nanotechnologie von OneD in die Ultium-Batteriezellen von GM. Die Siliziumanode von Sila Nanotechnologies mit Sitz in Alameda, Kalifornien, die seit 2021 den Whoop-Fitness-Tracker antreibt, wird bis 2026 im SUV der Mercedes G-Klasse verbaut sein. Group14 Technologies in Woodinville, Washington, soll seine Siliziumbatterie einrichten nächstes Jahr ein Porsche-Elektrofahrzeug.

Ende 2022 sammelten Group14, Sila und Amprius Technologies in Fremont, Kalifornien, fast eine halbe Milliarde Dollar für die Kommerzialisierung ihrer Anodenmaterialien, davon 250 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium und für Group14 weitere 214 Millionen US-Dollar an privaten Investitionen . Alle drei planen, in den nächsten Jahren heimische Fabriken im Gigawatt-Maßstab in Betrieb zu nehmen. Group14 begann im April mit dem Bau einer 20-Gigawatt-Anlage in Moses Lake, Washington.

„Silizium hat die Art und Weise, wie wir Informationen speichern, verändert, und jetzt verändert es auch die Art und Weise, wie wir Energie speichern“, sagt Rick Costantino, Chief Technology Officer von Group14.

Silizium verspricht eine größere Reichweite, schnelleres Aufladen und günstigere Elektrofahrzeuge als solche, deren Batterien über die heutigen Graphitanoden verfügen. Es nimmt nicht nur mehr Lithium-Ionen auf, sondern transportiert sie auch schneller durch die Membran der Batterie. Und da es das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste ist, sollte es billiger und weniger anfällig für Probleme in der Lieferkette sein. Derzeit wird nahezu das gesamte Graphitanodenmaterial in China verarbeitet.

Berichten zufolge hat Tesla den Anoden seiner Batterien bis zu 5 Prozent Silizium hinzugefügt. Aber Siliziumanoden-Startups wollen noch viel weiter gehen.

Als Forscher begannen, Silizium für Anoden von Lithiumbatterien zu erforschen – wie oben erwähnt, im Jahr 1976, bevor Graphit zur Kompromisslösung wurde –, löste das drastische Anschwellen und Schrumpfen von Silizium während des Ladens und Entladens die Anode schnell auf. Und unerwünschte Nebenwirkungen erschwerten den Ladevorgang und verkürzten auch die Batterielebensdauer.

Einige kommerzielle Batteriehersteller, darunter Tesla, haben die Lithiumhaltekapazität der Anoden ihrer Batterien durch die Zugabe einer kleinen Menge (normalerweise bis zu 5 Prozent) Silizium erhöht. Aber Siliziumanoden-Startups wollen noch viel weiter gehen.

Die meisten von ihnen betrachten nanotechnisch hergestelltes Silizium als Lösung für die Quell- und Nebenreaktionsprobleme. Der Stanford-Materialwissenschaftsprofessor Yi Cui und sein Labor haben dieses Forschungsgebiet mit einer Arbeit aus dem Jahr 2008 in Nature Nanotechnology über Silizium-Nanodrähte, die Quellung standhalten, ins Leben gerufen. Andere drehten dies bald anders, mit kugelförmigen Silizium-Nanopartikeln, Kern-Schale-Partikeln, die aus Siliziumkernen mit Schutzschichten um sie herum bestehen, und Siliziumpartikeln mit geätzten Oberflächen.

Cui war 2008 Mitbegründer von Amprius, um die Silizium-Nanodraht-Anodentechnologie zu kommerzialisieren. Das Unternehmen hat den Prozess zum direkten Züchten von Nanodrähten aus dem metallischen Stromkollektorsubstrat verbessert. Die Nanodrähte quellen nicht so stark auf wie kugelförmige Nanopartikel. Die Wahl des Unternehmens für reines Silizium sei der Grund für die hohe Energiedichte der Batterie, sagt Ionel Stefan, Chief Technology Officer. Die dünnen, porösen Materialien ermöglichen es außerdem, einen entladenen Akku in 10 Minuten auf einen Ladezustand von 90 Prozent zu bringen.

Im März meldete Amprius eine Siliziumanodenbatterie mit einer rekordverdächtigen zertifizierten Energiedichte von 500 Wattstunden pro Kilogramm, etwa doppelt so viel wie heutige Batterien für Elektrofahrzeuge. Airbus und BAE Systems nutzen die Batterien des Unternehmens bereits in Flugzeugen. Durch die Steigerung der Produktion in einer 5-GW-Fabrik in Boulder, Colorado, die 2025 eröffnet wird, hofft Amprius, die Kosten ausreichend für kommerzielle Fluganwendungen wie Drohnen und Lufttaxis zu senken.

Gene Berdichevsky, Mitbegründer und CEO von Sila Nanotechnologies, hält ein Glas mit den neuesten Nanokomposit-Siliziumanodenmaterialien des Unternehmens für Lithium-Ionen-Batterien in der Hand, die bereits im Whoop-Fitness-Tracker Sila Nanotechnologies verwendet werden

Der Nachteil der Anodentechnologie von Amprius besteht darin, dass „sie teuer ist und ihre Herstellung proprietäre Anoden erfordert, die nicht mit bestehenden großen EV-Zellenfabriken kompatibel sind“, sagt Vincent Pluvinage, CEO und Mitbegründer von OneD Battery Sciences. Aus diesem Grund konzentriert sich Amprius vorerst auf Nischenanwendungen wie den städtischen Luftverkehr.

Laut Pluvinage konzentriert sich OneD stattdessen darauf, bis 2026 erschwingliche Elektrofahrzeuge auf den Markt zu bringen. OneD verwendet auch Silizium-Nanodrähte, aber das Unternehmen injiziert die Nanodrähte in die inneren Poren und Oberflächen von Graphitpartikeln. Die Hinzufügung der Siliziumverarbeitung kostet weniger als 2 US-Dollar pro Kilowattstunde und erzeugt Batterien mit einer Energiedichte von 350 Wattstunden pro Kilogramm und einer 80-prozentigen Aufladung in weniger als 10 Minuten. „Während Silizium als hochentwickeltes und teures Material galt, hat OneD die Lösung gefunden, diese Kostenbarriere zu durchbrechen und den Batterien von Elektrofahrzeugen effektiv genau die richtige Menge Silizium hinzuzufügen“, sagt Pluvinage.

Group14 und Sila halten beide die Kosten niedrig, indem sie Siliziummaterialien entwickeln, die genauso aussehen und sich verhalten wie das schwarze Graphitpulver, das zur Herstellung heutiger Anoden verwendet wird. Sie sagen, dass dies einen Drop-in-Austausch in bestehenden Batterieanlagen ermöglichen wird. „Sie müssen die Art und Weise, wie Batterien hergestellt werden, nicht ändern … Siliziumanoden können in denselben Fabriken hergestellt werden“, sagt Gleb Yushin, Chief Technology Officer von Sila. Yushin, Professor für Materialwissenschaften an der Georgia Tech, gründete Sila 2011 zusammen mit dem ehemaligen Tesla-Ingenieur Gene Berdichevsky.

Silas Siliziumpulver besteht aus mikrometergroßen Partikeln aus nanostrukturiertem Silizium und anderen Materialien, die von einem porösen Gerüst aus einem anderen Material umgeben sind. Das Material ermöglicht Batterien mit einer um 20 Prozent höheren Energiedichte (was etwa 160 Kilometer mehr Reichweite für ein Elektrofahrzeug bedeutet) als solche mit Graphitanoden. Das Unternehmen plant, diesen Wert künftig zu verdoppeln.

„Auf Materialebene dürfte es letztendlich billiger sein als Graphit.“ – Gleb Yushin, Sila Nanotechnologies

Silas Komposit bekämpft beide Hauptprobleme von Silizium, nämlich Schwellung und Reaktionen mit dem Elektrolyten. Durch die Zwischenräume im nanostrukturierten, porösen Material kann sich Silizium ohne Beschädigung ausdehnen; und das Gerüst lässt Lithiumionen durch und verhindert gleichzeitig Reaktionen mit dem Elektrolyten, erklärt Yushin.

Sila stellt sein Anodenmaterial derzeit in einer Pilotanlage in Kalifornien her und plant den Bau einer 20-GW-Anlage im Bundesstaat Washington. Nach Angaben des Unternehmens wird diese Anlage innerhalb der nächsten fünf Jahre genug Anodenmaterial produzieren, um 1 Million Elektrofahrzeuge anzutreiben. „Wir haben das Unternehmen gegründet, um die EV-Revolution zu ermöglichen“, sagt Yushin. „Wenn man die Größe vergrößert, sinken die Kosten immer erheblich. Auf der Materialebene dürfte es irgendwann günstiger sein als Graphit.“

Group14 nutzt seine Expertise bei der Herstellung poröser Kohlenstoffmaterialien für Batterien und Ultrakondensatoren. Das Unternehmen stellt mithilfe eines patentierten Verfahrens in einem einzigen Schritt und einer einzigen Reaktion poröse Kohlenstoffpartikel in Mikrometergröße her und nutzt anschließend die chemische Gasphasenabscheidung, um Silizium in die Poren zu bringen. Das Silizium, das sich im Inneren bildet, ist amorph und nicht kristallin, anders als bei der Konkurrenz, sagt CTO Costantino. „Amorphes Silizium ist die ideale Form zur Energiespeicherung. Es ist die stabilste Form mit hoher Kapazität und längerer Zyklenlebensdauer.“

Das 10-GW-Werk des Unternehmens in Südkorea, das in Zusammenarbeit mit SK Materials, einem führenden Hersteller von Materialien für Elektronik und Displays, gebaut wurde, soll in den kommenden Monaten in Betrieb gehen, sagt Costantino. Die 20-GW-Fabrik des Unternehmens wird nächstes Jahr in Betrieb gehen. Im Gegensatz zu Sila befasst sich Group14 mit Transportanwendungen, die über Elektrofahrzeuge hinausgehen, darunter Lufttaxis und eVTOLs.

Nanostrukturiertes Silizium ist möglicherweise nicht die einzige Möglichkeit, Silizium in Anoden zu integrieren. Enevate in Irvine, Kalifornien, hat einen völlig anderen Ansatz gewählt. Anstatt Silizium-Nanopartikel und Nanodrähte zu entwickeln, scheidet das Unternehmen poröse Siliziumfilme mit einer Dicke von mehreren zehn Mikrometern direkt auf Kupferfolie ab. Seine Siliziumanodenbatterien sind jetzt in den neuen Elektrofahrrädern des kalifornischen Unternehmens Lightning Motorcycles verbaut und bieten mit nur 10-minütigem Aufladen eine Elektro-Reichweite von etwa 220 Kilometern.

Mittlerweile hat NanoGraf einen anderen Weg gewählt, um den Siliziumanteil in Graphitanoden zu erhöhen. Das Chicagoer Startup stellt ein Siliziumoxidmaterial her, das es vorquellen lässt, um es stabiler zu machen. Seine Anoden erhöhen die Energiedichte von Batterien um 10 Prozent, und das Unternehmen stellt derzeit leichtere Batteriepakete her, die Soldaten tragen können, um ihre Kommunikationsgeräte, Schutzbrillen und andere Ausrüstung mit Strom zu versorgen.

Da alle diese Unternehmen darum kämpfen, die Produktion zu steigern und die Kosten zu senken, müssen sie sich auch der Konkurrenz von Entwicklern anderer Batteriechemien stellen, die im Rennen um die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien sind. Lithium-Metall, Lithium-Luft und Lithium-Schwefel sind nur einige davon. In Stanford arbeitet Cui selbst intensiv an Lithium-Metall-Batterien, die reines Lithium als Anode verwenden. „Ich nenne es den heiligen Gral der Batterien“, sagt er. Seine Gruppe und andere wie das US Battery500 Consortium – eine Gruppe von vier nationalen Laboratorien und fünf Universitäten – haben enorme Fortschritte bei Lithium-Metallanoden gemacht, aber sie bergen immer noch ein Sicherheitsrisiko, da Batterien manchmal Feuer fangen, sagt Cui. Darüber hinaus erfordern Lithium-Metall- und andere Technologien eine völlige Neukonstruktion einer Batterie.

„Lithium wird erst in mindestens fünf Jahren auf dem Markt sein“, sagt er, eine Bestellung für Silizium-Anodenmaterial könne man aber schon jetzt aufgeben. „Silizium passiert jetzt. Dies ist die Ära des Siliziums.“

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom August 2023.