Eine Beimischung von Silizium in Graphitanoden verspricht erhebliche Fortschritte in Batterien. Das Potenzial ist groß, die Probleme allerdings auch.
- Graphitanode begrenzt die Ladeleistung
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- Porsche-Plattform J1 mit Siliziumbeimischung
- Silizium kann viel mehr Lithium zwischenspeichern
- Forschung an reiner Siliziumanode
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Mit Ausnahme des Porsche Taycan und des Audi e-tron GT (Plattform J1) haben sämtliche Elektroautos eine Anode aus Graphit. Beim Taycan ist dem Graphit Silizium im einstelligen Prozentbereich beigemischt. Das ist neben der 800-Volt-Spannungsebene und einem leistungsstarken Heiz- und Kühlsystem die dritte Ursache für die herausragende Ladeleistung des Porsches.
(Bild: Porsche)
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Der Ist-Stand ist die Graphitanode. Das Material ist seit Beginn der Lithium-Ionenzellen der Standard. Vereinfacht gesagt ist Graphit reiner Kohlenstoff wie in einer Bleistiftmine. Es ist als Natur-Graphit leicht verfügbar und bewährt, es hat eine lange Lebensdauer und eine brauchbare Kapazität. Ein strategischer Nachteil ist, dass die Abhängigkeit von China als Herstellungsland fast komplett ist, und die Produktion ist energieintensiv. Alternativ kann Graphit auch synthetisch hergestellt werden. Allerdings sind für den Prozess sehr hohe Temperaturen, also noch mehr Energie notwendig.
Die Anode bestimmt die Ladeleistung, die Kathode die Reichweite und die Kosten. Diese Vereinfachung vom Volkswagen Power Day 2021 gilt im Grundsatz weiterhin. Das Potenzial an der Anode ist bisher unerschlossen. Theoretisch ist sogar eine reine Siliziumanode vorstellbar. Sie könnte in den Eigenschaften so gut sein wie eine echte Solid-State-Zelle.
(Bild: Volkswagen)
Graphitanode begrenzt die Ladeleistung
Dr. Johannes Kasnatscheew ist Bereichsleiter Materialien am Münster Electrochemical Energy Technology (MEET), dem Batterieforschungszentrum der Universität Münster. Graphit sei verlässlich, aber es setze Grenzen, erklärt Kasnatscheew: “Graphit benötigt viel Volumen in der Zelle und ist zudem nicht ideal fürs schnelle Laden.” Beim Schnellladen kann sich das Lithiummetall an der Oberfläche der Anode abscheiden, was zum einen ein Sicherheitsrisiko darstellt und zum anderen die Kapazität minimiert. Dieses sogenannte Lithium Plating ruiniert die Dauerhaltbarkeit.
Simple Elektroautos mit LFP-Zellen werden zum Ende des Jahrzehnts in zehn Minuten von zehn auf 80 Prozent laden können. Voraussetzung ist ein erstklassiges Heiz- und Kühlsystem. Eine Graphitanode mit einer geringen Siliziumbeimischung wäre eine ideale Ergänzung und würde zugleich die Energiedichte verbessern. Das Anodenmaterial ist unabhängig vom Kathodenmaterial einsatzfähig, also auch bei LFP.
(Bild: Citroën )
Die Autoindustrie zeigt aber seit Jahren Charts, in denen die Laderate in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts auf und über 4C steigen wird. Übersetzt: Eine Vollladung(!) dauert unter Umständen weniger als 15 Minuten. Die wichtigste Voraussetzung hierfür ist aus heutiger Perspektive ein leistungsstarkes Heiz- und Kühlsystem. Die technische Fantasie ist groß und vielfältig, um die Zellen auf eine Temperatur zu bringen, in der sie optimal betrieben werden können.
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Porsche-Plattform J1 mit Siliziumbeimischung
Ein sehr großes Potenzial fürs Schnellladen bei gleichzeitiger Verbesserung der Energiedichte haben Anoden, denen Silizium beigemischt wird. Im einstelligen Prozentbereich gibt es das derzeit nur im Porsche Taycan sowie im gleichfalls auf der Plattform J1 basierenden Audi e-tron GT. Porsche hat noch keinen detaillierten Einblick in die Traktionsbatterie des gerade überarbeiteten Taycan erlaubt. Die Praxistests in Kalifornien zeigen eine überzeugende Ladekurve, die weit über 300 kW in der Spitze erlaubt und lange konstant ist. Teil der Verbesserung ist die Kombination aus einem nochmals leistungsstärkeren Heiz- und Kühlsystem sowie der leicht erhöhten Siliziumbeimischung an der Anode. Porsche bestätigt außerdem, dass kathodenseitig jetzt NMC 811 statt 622 Zellen zum Einsatz kommen. Auch das steigert die Gesamtperformance.
Silizium kann viel mehr Lithium zwischenspeichern
Forschung an reiner Siliziumanode
Eine reine Siliziumanode würde theoretisch zu einer im Volumen erheblich kleineren und im Gewicht leichteren Batteriezelle führen. Es ist Gegenstand der Forschung, dem Materialstress beim Laden und Entladen entgegenzuwirken. Unter anderem hat die Europäische Investitionsbank (EIB) dem Unternehmen Graphenex Development Inc (GDI) jüngst einen Kredit in Höhe von 20[ ]Millionen Euro bewilligt. Wenn alles klappt, soll eine industrielle Produktion in Deutschland aufgebaut werden. Formal könnte eine Batteriezelle mit einer 100-prozentigen Siliziumanode einer echten All-Solid-State-Batterie mit reiner Lithiumanode Paroli bieten. Es ist unklar, ob dieses Ziel erreicht wird. Bis dahin bleibt es bei der Beimischung mit den entsprechenden Vorteilen. Das nächste Elektroauto, für das eine Zellchemie mit Siliziumbeimischung angekündigt ist, ist der kommende Mercedes CLA. Er soll ab 2025 verkauft werden.
Auch Mercedes wird im nächsten CLA (2025) Traktionsbatterien mit einer Siliziumbeimischung einsetzen. Das Problem: Beim Be- und Entladen wächst und schrumpft die Batteriezelle im Volumen. Der Materialstress ist extrem. Aus diesem Grund wird Silizium als Kompromiss bisher nur beigemischt.
(Bild: Mercedes)
Im Grundsatz führt die Vielzahl an kontinuierlichen Fortschritten bei der Zellchemie sowie bei den wohltemperierten und in der Spannung steigenden Batteriesystemen zu immer besseren Elektroautos. Die Revolution ist ausgeblieben, die Evolution findet statt. Hierzu wird die Beimischung von Silizium an der Anode einen Beitrag leisten.
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(mfz)
