Panasonic und Sila Nanotechnologies entwickeln Silizium-Elektrofahrzeugbatterien, indem sie Graphit durch Silizium in Lithium-Ionen-Batterien ersetzen. Beide Unternehmen haben kürzlich eine Vereinbarung zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für zukünftige Elektrofahrzeuge unterzeichnet. In neuen Batterien wird Graphit durch Silizium ersetzt, was zu verbesserter Leistung und längerer Lebensdauer führt. Die neu entwickelten Batterien bieten das Potenzial für verbesserte Leistung und längere Lebensdauer.
Panasonic hat eine vielversprechende Kooperation mit Sila Nanotechnologies , einem Hersteller von Siliziumanoden, bekannt gegeben. Ziel ist es, deren Technologie bis 2024 in Panasonics bestehende Batterieproduktion zu integrieren. Dank dieser neuen Technologie werden Elektrofahrzeuge (EVs) eine höhere Reichweite und kürzere Ladezeiten erzielen . Die Technologie ersetzt das üblicherweise in den negativ geladenen Anoden von Lithium-Ionen-Batterien verwendete Graphit durch Silizium.
Laut einem IEA-Bericht wurden 2023 beeindruckende 14 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft, und diese Zahl dürfte in den kommenden Jahren deutlich steigen. Diese Fahrzeuge nutzen derzeit hochmoderne Lithium-Ionen-Batterien , die kontinuierlich verbessert werden. Trotz dieser Fortschritte bestehen jedoch weiterhin Herausforderungen, die ihren allgemeinen Nutzen und Komfort einschränken.
Azin Fahimi , Chief Scientist Officer bei Sienza Energy in den USA, sagte: „Die Fähigkeit einer Batterie, Energie im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht zu speichern, die sogenannte Energiedichte, ist ein Schlüsselfaktor für Elektrofahrzeuge, da sie die Strecke beeinflusst, die sie mit einer einzigen Ladung zurücklegen können.“
Das Team von Azin Fahimi arbeitet an verschiedenen Forschungsprojekten zur Implementierung von Siliziumanoden. Sie fügte hinzu: „Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Leistungsdichte, die angibt, wie schnell eine Batterie Energie liefern kann.“
Warum werden Reichweite und Ladezeit durch die neue Siliziumanode beeinflusst?
Batterien basieren auf der Bewegung geladener Teilchen, sogenannter Ionen, zwischen zwei elektrischen Leitern, den Elektroden. Während des Ladevorgangs wandern Lithiumionen von der Kathode (der positiven Elektrode) durch den Elektrolyten. Anschließend gelangen sie zur Anode (der negativen Elektrode), wo sie verbleiben, bis sie zur Stromerzeugung benötigt werden.
„Wenn die Batterie ein Gerät mit Strom versorgt, wandern die Lithium-Ionen von der Anode zurück zur Kathode. Diese Ionenbewegung ermöglicht es Elektronen, durch den externen Stromkreis zu fließen und so einen elektrischen Strom zu erzeugen, der das Gerät mit Strom versorgt“, fügte Fahimi hinzu.
Die Leistungsfähigkeit einer Batterie hängt maßgeblich vom Anodenmaterial ab . Dieses ist auch für die Speicherung von Ionen verantwortlich, bis diese zum Antrieb des Fahrzeugs benötigt werden.
Laut Fahimi sollte ein gutes Anodenmaterial eine hohe Lithiumspeicherkapazität aufweisen, um eine hohe Energiedichte zu gewährleisten, eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, um einen effizienten Elektronenfluss zu ermöglichen, und einen schnellen Ionentransport für schnelle Ladevorgänge gewährleisten. Die Anode benötigt außerdem eine stabile Struktur, deren Volumen sich beim Ein- und Ausströmen von Ionen nicht verändert, da dies die Oberfläche beschädigen kann.
Panasonic und Sila Nanotechnologies entwickeln Silizium-Batterien für Elektrofahrzeuge. Traditionell werden in Lithium-Ionen-Batterien Graphitanoden aufgrund ihrer Schichtstruktur eingesetzt . Diese Schichtstruktur ermöglicht die Bewegung von Ionen ohne signifikante Volumenänderungen.
„Silizium kann aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung mehr als das Zehnfache seiner Energie pro Gramm speichern. Diese höhere Kapazität bedeutet, dass Silizium mehr Lithium-Ionen speichern kann, was zu einer höheren Energiedichte der Batterie führt. Eine höhere Energiedichte bedeutet eine größere Reichweite von Elektrofahrzeugen mit einer einzigen Ladung. Leider quillt Silizium auf das Drei- bis Vierfache seiner ursprünglichen Größe auf, wenn es mit Lithium-Ionen gefüllt wird, was zu mechanischer Belastung und schließlich zur Degradation des Anodenmaterials führt“, erklärte Fahimi.
Um diese Herausforderung zu meistern, ist ein nanoskaliges Design der Siliziumanode unerlässlich. In ihrer anschließenden Forschung widmen sich Fahimis Team in Sienza und die Teams in Sila der Lösung dieses Problems.
