SiGgI: Industrielle Verarbeitung von Si-C

Das Projekt SiGgI hat zum Ziel, für die Silicium-(Si-)Kohlenstoff-(C-)Komposit-Technologie die Schnittstelle zwischen Labor und industrieller Umsetzung abzubilden. Zunächst wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler siliciumhaltiges Aktivmaterial und Verfahren zur Fertigung von Silicium-Kohlenstoff-Elektroden im Technikumsmaßstab entwickeln. Dazu gehört u. a., dass sie das Silicium in kleine Partikel mit Durchmessern von nur wenigen Nanometern mahlen, für diesen Prozess SiC-Mahlkugeln entwickeln und Si-C-Komposite etwa mittels sogenannter Granulationsverfahren herstellen.

Baut man Testzellen manuell zusammen, um die Eigenschaften neuer Materialien charakterisieren zu können, sind die Resultate stets leicht unterschiedlich. Untersucht man die Zellen, machen sich die kleinen Bauunterschiede in den Eigenschaften der Zellen bemerkbar. Diese Unterschiede können sich derart auswirken, dass sie sehr kleine Effekte überlagern, die es zu erfassen gilt. Deshalb wird im Projekt SiGgI auch eine vollautomatisierte Testzellenfertigung entwickelt, welche zur kontinuierlichen Prozessüberwachung dient.

Mit diesem System können viele verschiedene Material- und Herstellungsvarianten ausprobiert werden und viele Daten zur Fertigung, zu Materialien und zu hergestellten Batteriezellen gesammelt werden. Diese werden mit modernen Data-Mining-Verfahren ausgewertet. Dadurch, so hoffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, lassen sich neben revolutionären Aspekten (Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien) auch evolutionäre Aspekte (z. B. verschiedene Elektrolyte oder Additive) bei der Zellentwicklung berücksichtigen.

Durch die starken Volumenausdehnungen beim Aufladen wird die SEI, die Grenzschicht zwischen den Silicium-Partikeln und dem Elektrolyt, immer wieder aufgebrochen. Danach bildet sie sich aus weiterem Silicium-Material aus dem Inneren der Partikels neu aus. Dies führt zu dauerhaften Kapazitätsverlusten der Batterie, das Silicium wird sozusagen verbraucht und steht nicht mehr für die Speicherung von Lithium zur Verfügung. Außerdem halten die Silicum-Partikel dem permanenten Stress durch die Volumenausdehnung nicht stand und zerfallen nach einigen Be-und-Entlade-Zyklen zu Pulver. In der Fachsprache nennt man das „elektrisches Vermahlen”. Oft löst sich aber schon vorher des Aktivmaterial von der Ableiterfolie und verliert den elektrischen Kontakt.

Deshalb wird im Rahmen des Projektes SiGgI auch an der Vorbehandlung der Elektroden gearbeitet. Ziel ist die Erzeugung einer stabilen geschlossenen Grenzschicht (SEI), um die Elektroden während des Be- und Entladens vor Zersetzung zu schützen.