p Tempos de vida mais longos, Alcances maiores e recarga mais rápida - desenvolvimentos como a mobilidade elétrica ou a miniaturização da eletrônica exigem novos materiais de armazenamento para as baterias. Com sua enorme capacidade de armazenamento, o silício teria vantagens potencialmente decisivas sobre os materiais usados ​​nas baterias de íon-lítio disponíveis no mercado. Mas devido à sua instabilidade mecânica, até agora tem sido quase impossível usar silício para tecnologia de armazenamento. Uma equipe de pesquisa do Instituto de Ciência de Materiais da Universidade de Kiel, em cooperação com a empresa RENA Technologies GmbH, está desenvolvendo ânodos feitos de 100% silício, bem como um conceito para a sua produção industrial. Por meio da estruturação direcionada de sua superfície no nível do micrômetro, a equipe pode explorar totalmente o potencial de armazenamento do silício. Isso abre uma abordagem completamente nova para baterias recarregáveis, bem como o armazenamento de energia de amanhã. Esta semana, os parceiros apresentam a produção e potencial de uso de ânodos de silício na Hannover Messe (23 a 27 de abril), no estande CAU (Hall 2, C07). p O silício tem sido um candidato potencial para a mobilidade elétrica, de acordo com a cientista de materiais Dra. Sandra Hansen. "Teoricamente, o silício é o melhor material para ânodos em baterias. Ele pode armazenar até 10 vezes mais energia do que os ânodos de grafite em baterias convencionais de íon-lítio. "Carros elétricos poderiam conduzir mais longe, baterias de smartphones podem durar mais, e a recarga seria significativamente mais rápida. Uma vantagem adicional do material semicondutor é sua disponibilidade ilimitada - afinal, a areia consiste principalmente de dióxido de silício. "O silício é o segundo elemento mais abundante na Terra depois do oxigênio, e, portanto, um recurso econômico quase ilimitado, "disse Hansen.

p Contudo, até agora, a vida útil dos ânodos de silício era muito curta para serem usados ​​em baterias recarregáveis ​​e recarregáveis. A razão para isso é a alta sensibilidade do material. Durante o carregamento, Os íons de lítio se movem para frente e para trás entre o ânodo e o cátodo. Silício, como o material com a maior densidade de energia, pode absorver um número notável de íons de lítio. Enquanto faz isso, ele se expande em 400 por cento, e quebraria no longo prazo.

p No Institute for Materials Science em Kiel, o silício é pesquisado há quase 30 anos. As descobertas até o momento, combinada com a experiência em silício da RENA Technologies GmbH adquirida com a tecnologia solar, deve contribuir para a produção de ânodos de bateria 100% silício. Isso permitiria o uso máximo de seu potencial de armazenamento - os ânodos em baterias recarregáveis ​​convencionais contêm apenas aproximadamente 10-15 por cento de silício. Para perseguir esse objetivo, o projeto de pesquisa conjunto "Desenvolvimento e caracterização de grandes, anodos de filme de Si poroso para armazenamento de energia de lítio-enxofre-silício "(PorSSi) lançados no ano passado, que ganhou um total de um milhão de euros em financiamento do Ministério Federal da Educação e Pesquisa (BMBF, mais detalhes veja abaixo). O resultado final deve ser uma bateria de silício de alto desempenho, junto com um conceito para sua produção industrial econômica.

p "A cooperação entre a Universidade de Kiel e a RENA é uma combinação altamente eficiente de décadas de experiência em pesquisa fundamental com processos industriais e especialização em desenvolvimento de equipamentos, "enfatizou o Dr. Holger H. Kühnlein, Vice-presidente sênior de tecnologia da RENA Technologies GmbH. "Desta maneira, podemos transferir os resultados da pesquisa universitária para aplicações industriais o mais rápido possível, "acrescentou o professor Rainer Adelung, chefe do grupo de trabalho de Nanomateriais Funcionais na Universidade de Kiel, onde muitas das descobertas até agora sobre o silício foram feitas. Adelung:"Esta é uma verdadeira transferência de inovação."

p "Para aumentar a estabilidade do ciclo dos ânodos de silício nas baterias, precisamos entender exatamente o que acontece quando eles se expandem durante o carregamento, "disse Hansen. Durante sua tese de doutorado, ela descobriu que o silício se comporta muito mais flexível quando é produzido na forma de um fio fino. Essas descobertas agora são transferidas para o silício poroso - seu volume livre deixa mais espaço para expansão. Para evitar que os contatos com o eletrodo se rompam, Hansen co-desenvolveu e patenteou um método para uma conexão estável entre os dois. A equipe quer fabricar a contraparte do ânodo - o cátodo - a partir do enxofre. "Um cátodo de enxofre fornece a capacidade máxima de armazenamento possível. Portanto, neste projeto, combinamos dois materiais que prometem um desempenho realmente alto da bateria, "disse Hansen.

p Hansen quer melhorar ainda mais a vida útil dos ânodos de silício, através de um controle de qualidade especial durante a fabricação:eles são produzidos a partir de um chamado wafer. Usando um processo de gravação litográfica, a superfície deste disco plano é estruturada em escala nano, para dar propriedades específicas. Com um método aprimorado no campo da tecnologia solar, Hansen então realiza uma inspeção visual da superfície por um período de tempo. Desta maneira, pode ser determinado em que ponto do processo de fabricação as áreas desiguais se desenvolveram na superfície, que reduzem o desempenho do ânodo.

p "No momento, esse processo ainda leva muito tempo e é muito caro. Se conseguirmos transferi-lo de um wafer de silício para um filme poroso, poderíamos gravá-los em apenas alguns minutos, "disse Hansen. Através da cooperação com a RENA, os resultados da pesquisa fluem diretamente para o desenvolvimento de novos sistemas de gravação. Um protótipo será produzido no decorrer do período de projeto de três anos, e instalado na Faculdade de Engenharia de Kiel.