Batterien aus nachhaltigen Materialien
Silizium-Luft‑Batterien versprechen sehr hohe theoretische Energiedichten, doch entscheidend ist die Kontrolle von Passivierung und Korrosion in alkalischen Elektrolyten.
Foto: KI-generiert mit OpenAI
Silizium Luft Batterien (SAB): Energie aus Silizium und Luft
Silizium-Luft-Batterien (SABs) zählen zu den sogenannten Metall-Luft-Systemen und gelten als ein Konzept, das zukünftig sehr hohe Speicherkapazitäten ermöglichen könnte. Das Grundprinzip ist einfach: An der Kathode wird Sauerstoff aus der Umgebungsluft genutzt, während die Anode aus Silizium besteht. Dieses Material ist nicht nur in der Chipindustrie unverzichtbar, sondern besitzt auch ein enormes theoretisches Potenzial für die Energiespeicherung.
Da Silizium als Element breit verfügbar ist, ist es auch aus Rohstoffsicht interessant, um Abhängigkeiten von kritischen Materialien zu reduzieren. Der Weg vom theoretischen Potenzial zur praktischen Anwendung ist jedoch anspruchsvoll, da die chemischen Prozesse in der Batterie komplex sind.
Die Herausforderung: Stabile Entladung in alkalischen Lösungen
In vielen SAB-Konzepten kommen alkalische Elektrolyte zum Einsatz, um den Ionenfluss zwischen den Elektroden zu ermöglichen. Hierbei tritt oft ein grundlegendes Problem auf. Die Entladung der Batterie bricht vorzeitig ab, lange bevor das Silizium verbraucht ist. Der Grund dafür ist, dass sich die Siliziumoberfläche während der Reaktion verändert und passiviert. Es bildet sich eine Schicht, die die weitere elektrochemische Reaktion blockiert.
Unsere Forschung setzt genau hier an. Wir untersuchen die Faktoren, die diesen vorzeitigen Abbruch auslösen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Anreicherung von gelöstem Silizium beziehungsweise Silikaten im Elektrolyten eine entscheidende Rolle spielt. Wenn Reaktionsprodukte nicht schnell genug von der Oberfläche abtransportiert werden, beschleunigt dies die Passivierung. Ein tiefes Verständnis dieser Silikatchemie ist daher der Schlüssel, um Elektrolyte so zu gestalten, dass die Batterie länger und stabiler Energie liefert.
Effizienz steigern: Das Problem der Korrosion
Ein zweites großes Thema bei alkalischen Silizium-Luft-Batterien ist die sogenannte parasitäre Korrosion. In der aggressiven Umgebung des alkalischen Elektrolyten reagiert das Silizium auch chemisch, ohne dass dabei nutzbarer Strom fließt. Das bedeutet, dass sich ein Teil des Brennstoffs auflöst, ohne zur Energiegewinnung beizutragen. Dies senkt die Effizienz des Gesamtsystems erheblich.
Um diese Verluste zu minimieren, erforschen wir spezielle Zusätze zum Elektrolyten. Ein vielversprechender Ansatz ist der teilweise Ersatz von Wasser durch Polyethylenglykol (PEG). Unsere Untersuchungen zeigen, dass PEG die Korrosion deutlich dämpfen kann und das Ätzverhalten an der Siliziumoberfläche positiv beeinflusst. In Experimenten konnten wir so die nutzbare Energie aus der verbrauchten Siliziummenge erheblich steigern.
Aktuelle Forschungsaktivitäten:
• Untersuchung der Mechanismen von Selbstentladung und Degradation
• Gezielte Steuerung chemischer Nebenreaktionen während des elektrochemischen Betriebs
• Entwicklung effizienterer Elektrolytzusammensetzungen zur Minimierung von Passivierungseffekten
Literatur:
1. Schalinski, S., Schweizer, S. L., & Wehrspohn, R. B. (2023). The Role of Silicate Enrichment on the Discharge Duration of Silicon‐Air Batteries. ChemSusChem, 16(9), e202300077.
DOI: 10.1002/cssc.202300077
2. Schalinski, S., et al. (2023). Inhibition of Corrosion in Alkaline Silicon–Air Batteries with Polyethylene Glycol. Advanced Energy and Sustainability Research, 2300138.
DOI: 10.1002/aesr.202300138
