Silizium- und Silizium-Kohlenstoff-Anoden
Silizium- und Silizium-Kohlenstoff-Anoden sind Negativelektroden, die Silizium zur Speicherung von Lithium nutzen – entweder als vorherrschenden Aktivstoff oder in Kombination mit Graphit beziehungsweise einer anderen Form von Kohlenstoff.
Hauptformen
- Siliziumanode: bezeichnet gewöhnlich eine siliziumreiche oder von Silizium dominierte Negativelektrode. Sie besteht nicht zwangsläufig aus reinem Silizium; die Elektrode benötigt weiterhin Bindemittel, leitfähige Zusatzstoffe und einen Stromkollektor.
- Silizium-Kohlenstoff-Anode: kombiniert Silizium oder ein Siliziumderivat wie Siliziumoxid mit Graphit, einem Kohlenstoffgerüst oder einem anderen Kohlenstoffmaterial. Der Kohlenstoff unterstützt die elektrische Leitfähigkeit und kann helfen, die mechanischen Auswirkungen der Siliziumausdehnung zu beherrschen.
Warum Silizium verwendet wird
Silizium kann pro Masseneinheit wesentlich mehr Lithium speichern als Graphit. Dadurch eröffnet sich ein Weg zu einer höheren Energiedichte auf Zellebene, doch der Vorteil auf Materialebene überträgt sich nicht unmittelbar auf eine vollständige Batterie. Elektrodendicke, Porosität, inaktive Materialien, Elektrolytmenge, die für das Quellen vorgesehene Reserve und die Kathode beeinflussen das Endergebnis. Nature Communications: Production of lithium-ion batteries with silicon-containing anodes
Der wichtigste Zielkonflikt
Silizium dehnt sich stark aus und zieht sich wieder zusammen, wenn Lithium ein- beziehungsweise austritt. Wiederholte Volumenänderungen können Partikel aufbrechen, elektrische Kontakte unterbrechen und die Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) beschädigen. Der erneute Aufbau dieser Schicht verbraucht Lithium und Elektrolyt und trägt damit zum Kapazitätsverlust bei. U.S. Department of Energy: Protecting silicon battery electrodes
Die Kombination von Silizium mit Graphit oder gezielt entwickeltem Kohlenstoff kann diese Probleme verringern, beseitigt sie aber nicht. Die Bezeichnung Silizium-Kohlenstoff sagt nichts über den Siliziumanteil, die Partikelstruktur, den Lithiumverlust im ersten Zyklus, die Quellung, Ladegrenzen, Zyklenlebensdauer oder Fertigungsausbeute aus. Viele produktionsorientierte Konzepte behalten daher Graphit als Hauptmaterial bei und fügen eine kontrollierte Menge Silizium oder Siliziumoxid hinzu.
Ausführliche Informationen zu den Wechselwirkungen zwischen Elektrode und Elektrolyt finden Sie unter Cell Chemistry & Components. Informationen zum Reifegrad siliziumreicher Konzepte und zu aktuellen Batterieprogrammen finden Sie unter Latest Advances in EV Battery Technology.
Silizium bezeichnet das Anodenmaterial, nicht die Elektrolytarchitektur. Es kann in herkömmlichen Lithium-Ion Battery-Zellen oder in Konzepten mit Festelektrolyt eingesetzt werden; siehe Solid-State Battery.