Il team di ricerca di Kiel produce anodi per le sue innovative batterie al silicio da wafer di silicio come questo. Un processo di incisione conferisce ai dischi originariamente vergini una superficie porosa e una lucentezza colorata. Lo strato di silicio poroso può essere legato particolarmente bene con un elettrodo di rame. L'anodo estremamente sottile risultante può essere rimosso come una pellicola. Credito:Siekmann, Università di Kiel
Tempi di vita più lunghi, autonomia più ampia e ricarica più rapida:sviluppi come la mobilità elettrica o la miniaturizzazione dell'elettronica richiedono nuovi materiali di stoccaggio per le batterie. Con la sua enorme capacità di stoccaggio, il silicio avrebbe potenzialmente vantaggi decisivi rispetto ai materiali utilizzati nelle batterie agli ioni di litio disponibili in commercio. Ma a causa della sua instabilità meccanica, finora è stato quasi impossibile utilizzare il silicio per la tecnologia di archiviazione. Un gruppo di ricerca dell'Istituto per la scienza dei materiali dell'Università di Kiel, in collaborazione con la società RENA Technologies GmbH, sta sviluppando anodi realizzati al 100% in silicio, così come un concetto per la loro produzione industriale. Attraverso una mirata strutturazione della sua superficie a livello micrometrico, il team può sfruttare appieno il potenziale di stoccaggio del silicio. Questo apre un approccio completamente nuovo alle batterie ricaricabili, così come lo stoccaggio di energia di domani. Questa settimana, i partner presentano la produzione e il potenziale utilizzo degli anodi di silicio alla Hannover Messe (23 – 27 aprile), presso lo stand CAU (Pad. 2, C07).
Il silicio è stato a lungo un potenziale candidato per la mobilità elettrica, secondo lo scienziato dei materiali Dr. Sandra Hansen. "Teoricamente, il silicio è il materiale migliore per gli anodi nelle batterie. Può immagazzinare fino a 10 volte più energia degli anodi di grafite nelle tradizionali batterie agli ioni di litio." Le auto elettriche potrebbero andare oltre, le batterie degli smartphone potrebbero durare più a lungo, e la ricarica sarebbe notevolmente più veloce. Un ulteriore vantaggio del materiale semiconduttore è la sua disponibilità illimitata, dopo tutto, la sabbia è costituita in gran parte da biossido di silicio. "Il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla terra dopo l'ossigeno, e quindi una risorsa economicamente vantaggiosa quasi illimitata, " disse Hansen.
Però, finora la durata degli anodi di silicio era troppo breve per usarli realmente in batterie ricaricabili e ricaricabili. La ragione di ciò è l'elevata sensibilità del materiale. Durante la ricarica, gli ioni di litio si muovono avanti e indietro tra l'anodo e il catodo. Silicio, come il materiale con la più alta densità di energia, può assorbire un notevole numero di ioni di litio. Mentre lo fai, si espande del 400 per cento, e alla lunga si romperebbe.
Nel laboratorio della Facoltà di Ingegneria, Hansen sta costruendo i primi prototipi di batterie al silicio, per testare quanti cicli di carica possono durare. Non c'è ossigeno in questa cosiddetta "scatola per guanti", altrimenti il litio nella batteria si ossiderebbe. Credito:Julia Siekmann, Università di Kiel
Presso l'Istituto per la scienza dei materiali di Kiel, il silicio è stato studiato per quasi 30 anni. I risultati fino ad oggi, combinato con l'esperienza sul silicio di RENA Technologies GmbH acquisita dalla tecnologia solare, dovrebbe contribuire alla produzione di anodi per batterie realizzati al 100% in silicio. Ciò consentirebbe il massimo utilizzo del loro potenziale di stoccaggio:gli anodi nelle batterie ricaricabili convenzionali contengono solo circa il 10-15 percento di silicio. Per perseguire questo obiettivo, il progetto di ricerca congiunto "Sviluppo e caratterizzazione di grandi, anodi a film di silicio poroso per l'accumulo di energia al litio-zolfo-silicio" (PorSSi) ha preso il via lo scorso anno, che ha ottenuto un finanziamento totale di un milione di euro dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF, maggiori dettagli vedi sotto). Il risultato alla fine dovrebbe essere una batteria al silicio ad alte prestazioni, insieme a un concetto per la sua produzione industriale conveniente.
"La cooperazione tra l'Università di Kiel e il RENA è una combinazione altamente efficiente di decenni di esperienza nella ricerca fondamentale con l'esperienza nei processi industriali e nello sviluppo di apparecchiature, " ha sottolineato il dottor Holger H. Kühnlein, Vicepresidente senior della tecnologia presso RENA Technologies GmbH. "In questo modo, possiamo trasferire quanto prima i risultati della ricerca universitaria in applicazioni industriali, " ha aggiunto il professor Rainer Adelung, capo del gruppo di lavoro sui nanomateriali funzionali presso la Kiel University, dove sono state fatte molte delle scoperte fino ad oggi sul silicio. Adelung:"Questo è un vero trasferimento di innovazione".
"Al fine di aumentare la stabilità ciclica degli anodi di silicio nelle batterie, dobbiamo capire esattamente cosa succede quando si espandono durante la ricarica, " ha detto Hansen. Durante la sua tesi di dottorato, ha scoperto che il silicio si comporta in modo molto più flessibile quando viene prodotto sotto forma di un filo sottile. Questi risultati vengono ora trasferiti al silicio poroso:il suo volume libero lascia più spazio per l'espansione. Per evitare che i contatti con l'elettrodo si rompano, Hansen ha co-sviluppato e brevettato un metodo per una connessione stabile tra i due. Il team vuole fabbricare la controparte dell'anodo, il catodo, dallo zolfo. "Un catodo di zolfo fornisce la massima capacità di stoccaggio possibile. Quindi in questo progetto, combiniamo due materiali che promettono prestazioni davvero elevate dalla batteria, " disse Hansen.
Quando si carica la batteria, il silicio si espande del 400 percento, e il materiale delicato potrebbe rompersi. È molto più flessibile sotto forma di tali micro-fili, come ha potuto dimostrare Hansen nella sua tesi di dottorato. Ma questo tipo di produzione è ancora troppo costoso per la produzione industriale. Credito:Sandra Hansen
Hansen vuole migliorare ulteriormente la durata degli anodi di silicio, attraverso uno speciale controllo di qualità durante la produzione:sono prodotti da un cosiddetto wafer. Utilizzando un processo di incisione litografica, la superficie di questo disco piatto è strutturata su scala nanometrica, per dargli proprietà specifiche. Con un metodo avanzato dal campo della tecnologia solare, Hansen esegue quindi un'ispezione visiva della superficie per un periodo di tempo. In questo modo, si può determinare a che punto del processo di fabbricazione si sono sviluppate aree irregolari sulla superficie, che riducono le prestazioni dell'anodo.
"Al momento, questo processo richiede ancora molto tempo ed è molto costoso. Se riusciamo a trasferirlo da un wafer di silicio a un film poroso, potremmo inciderli in pochi minuti, " ha detto Hansen. Attraverso la collaborazione con RENA, i risultati della ricerca confluiscono direttamente nello sviluppo di nuovi sistemi di incisione. Un prototipo sarà prodotto nel corso del triennio del progetto, e installato presso la Facoltà di Ingegneria di Kiel.
