Elektromobilität Neue Batteriematerialien: MoSiLIB entwickelt Silizium-Zinnsulfid Kompositanoden

Lithium-Ionen-Batterien als gängigste Akkuvariante spielen für den Hochlauf der Elektromobilität eine tragende Rolle. Nachteile sind allerdings die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen zum einen und die Kapazitätsgrenzen herkömmlicher kohlenstoffbasierter Anoden zum anderen. Hier setzt das Forschungsprojekt MoSiLIB an und entwickelt eine Komposit-Anode auf Basis von Silizium und Zinnsulfid.

Lithium-Ionen-Batterien als Herzstück eines jeden Elektroautos sind tragend für die Elektromobilität. Ihre Weiterentwicklung wird jedoch aufgrund begrenzter Ressourcen, Umweltbelastungen und technischer Einschränkungen bestehender Materialien kritisch gesehen. Die Abhängigkeit von Rohstoffen wie Naturgraphit und Kobalt stellt nicht nur ein Versorgungsrisiko dar, sondern wirft auch ethische und ökologische Fragen auf. Gleichzeitig stoßen herkömmliche kohlenstoffbasierte Anoden an ihre Kapazitätsgrenzen. Neue Materialkonzepte sind daher notwendig, um den steigenden Anforderungen an Energiespeicherung gerecht zu werden.

Nachteile kompensieren

An dieser Stelle setzt das Forschungsprojekt MoSiLIB an. Hier arbeitet man an einer Komposit-Anode auf Basis von Silizium und Zinnsulfid (SnS2). Ziel ist es, die Nachteile bisheriger Anodenmaterialien zu umgehen, die Nutzung von kritischen Rohstoffen zu reduzieren und gleichzeitig die Batterieleistung sowie die Zyklenstabilität zu optimieren. Dabei konzentrieren sich die Forscher auf hochreines Silizium, das aus ausgedienten Solarmodulen recycelt wird.

Durch die chemische Interaktion von SnS2 mit Silizium entstehen Si/Li2S- und Sn/Li2S-Heterostrukturen, die die Volumenausdehnung der Anodenpartikel abpuffern und die Agglomeration während der Ladezyklen reduzieren. Dadurch wird die Lebensdauer der Batterie erhöht, was die Komposit-Anode für Lithium-Ionen-Batterien der Generation 3b mit LNMO-Kathoden besonders geeignet macht. Zudem setzt das Projekt auf wasserbasierte Verarbeitungsmethoden und skaliert die Technologie auf ein semi-industrielles Niveau, um die Realisierbarkeit und industrielle Anwendbarkeit zu gewährleisten.

Entwicklung einer neuen Verbundanode

Ziel von MoSiLIB ist es, eine Si-(Graphit)-SnS2-Verbundanode zu entwickeln, die eine reversible Kapazität von 800 mAh/g über mehr als 1000 Zyklen erreicht. Dazu wird eine neuartige Materialverarbeitung genutzt, die auf einer Kombination aus Sprühtrocknung und Hochenergie-Kugelmahlen basiert. Die resultierenden Anodenmaterialien werden in vollständigen Hochvolt-Zellen mit LNMO-Kathoden getestet.

Ergänzend zur experimentellen Forschung setzt das Projekt auf eine mehrskalige Modellierung, um die Leistungsfähigkeit der Anodenmaterialien zu optimieren und Alterungsmechanismen detailliert zu verstehen. Neben der Materialentwicklung liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der semi-industriellen Skalierung der Syntheseprozesse sowie der wasserbasierten Elektrodenfertigung, um eine nachhaltige und wirtschaftliche Produktion sicherzustellen. Die neu entwickelten Anodenmaterialien werden ausführlich in Knopf- und Pouch-Zellen getestet, um ihre langfristige Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit zu validieren.

Projektpartner

Das AIT Austrian Institute of Technology (AIT) koordiniert das Forschungsprojekt MoSiLIB. Des Weiteren beteiligen sich daran die Universität Wien, AVL List, die Frimeco Produktions GmbH, die Université de Liège / Greenmat und die Universität Ljubljana.

Neben der Projektleitung und Koordination konzentriert sich das AIT insbesondere auf elektrochemische Untersuchungen der SnS2-Anoden und LNMO-Kathoden. Ziel ist es, deren Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität unter realen Betriebsbedingungen zu bewerten. Ein weiterer Schwerpunkt des AIT liegt in der Entwicklung und Optimierung von Verarbeitungsmethoden für Elektroden im Pilotmaßstab. Durch den Einsatz modernster Pilotanlagen wird die Skalierbarkeit der Prozesse untersucht und weiterentwickelt, um eine möglichst nachhaltige und wirtschaftliche Produktion von Silizium-Zinnsulfid-Kompositanoden zu ermöglichen. (se)

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