Anodenalternative Siliziumnitrid ist besseres Speichermaterial für Feststoffbatterien

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Siliziumnitridbasierte Partikel könnten als vielversprechendes Anodenmaterial eine hohe Speicherkapazität mit einem stabilen und sicheren Betrieb ermöglichen, sagen Dresdener Forscher.

Die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Feststoffbatterien steht vor der Herausforderung, hochenergetische Lithium-Metall-Anoden erfolgreich in die industrielle Anwendung zu transferieren. Das Projekt „FB2-SiSuFest“ untersucht deshalb Anodenmaterialien auf Basis von Siliziumnitrid (SiNx). Denn dieses Material könnte einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung leistungsstarker, sicherer und stabiler Batteriezellen leisten, wie die darin involvierten Forscher des Fraunhofer-IWS in Dresden glauben.

Das Ziel heißt verbesserte Zyklenstabilität

Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich dabei auf die Herstellung und Evaluierung von siliziumnitridbasierten Partikeln als Anodenmaterial in sulfidischen Festkörperbatterien. Das Projekt strebt eine wesentliche Verbesserung der Zyklenstabilität im Vergleich zu kommerziellen Anodenmaterialien an. Dabei wollen die Projektpartner die elektrochemischen und morphologischen Herausforderungen von Silizium durch den Einsatz amorpher Nanopartikel auf Basis von Siliziumnitrid überwinden, wie es weiter heißt.

Die optimale Phase beim Batterieladen und -entladen

Die Forschung innerhalb des sogenannten Festbatt-Clusters konzentriert sich auf verschiedene Varianten von unter anderem sulfidbasierten Feststoffbatterien als wegweisende Möglichkeit. Trotz aller Fortschritte blieben aber noch einige Fragen zur erfolgreichen Anwendung der hochenergetischen Lithium-Metall-Anode offen. Silizium könnte sich aber als legierungsbildendes Aktivmaterial herausstellen. Allerdings bestehen weiterhin Hürden durch elektrochemische und morphologische Instabilitäten. Diese könnten sich durch den Einsatz von Siliziumnitriden in Form amorpher Nanopartikel nehmen lassen, indem vorteilhafte Phasen während des Lade- und Entladevorgangs entstehen. Das Hauptziel des Forschungsverbunds besteht deshalb in der Weiterentwicklung innovativer SiNx-Aktivmaterialien und deren Evaluierung in Compositanoden sowie in sulfidischen Feststoffbatterien. Das Projektteam setzt dabei auf systematische Untersuchungen, tiefgehende Analytik sowie Material- und Prozessoptimierung, um insbesondere die Beladung und Zyklenstabilität im Vergleich zur Anwendung herkömmlicher Siliziumpartikel zu bewerten.

Das sind die Partner und Unterstützer des ehrgeizigen Projekts

Die Erfahrung und Vernetzung der Partnerinstitutionen, darunter das Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Münster, eben das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, das Institut für Energie- und Material-Prozesse der Universität Duisburg-Essen sowie das Physikalisch-Chemische Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen, bilden das solide Fundament für das Projekt, wie man erfährt. Die Zusammenarbeit stärke nicht nur den wissenschaftlichen Austausch, sondern auch die Integration mit den Plattformen Thiophosphate und Produktion im Festbatt-Cluster. Der Forschungsverbund wird dabei vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in Höhe von 1,7 Millionen Euro im Rahmen der Förderrichtlinie „Clusters Go Industry“ als Teil des Festbatt-Clusters unterstützt. Die Laufzeit des Projekts erstreckt sich von Dezember 2023 bis November 2025.

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