Silizium als Material für Negativelektroden in Lithium-Ionen-Batterien gilt seit langer Zeit als vielversprechende Lösung zur Steigerung der Energiedichte. Sein theoretisches Kapazitätspotential übertrifft das von herkömmlichen Graphit-Anoden bei weitem. Dadurch wird eine Steigerung der Batteriekapazität und Reichweite von Elektrofahrzeugen und anderen mobilen Geräten ermöglicht. Allerdings ist die praktische Umsetzung von Silizium-Elektroden mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, die hauptsächlich auf das starke Volumenwachstum und die daraus entstehenden mechanischen Belastungen zurückzuführen sind. Eine der bahnbrechenden Innovationen zur Überwindung dieser Barrieren ist das Konzept der sogenannten „Sieving-Poren“ (Siebporen).
Diese spezielle Porenstruktur ermöglicht nicht nur schnellere und stabilere Legierungsreaktionen von Silizium in Lithium-Ionen-Batterien, sondern adressiert gleichzeitig die Probleme von Volumenänderungen und unerwünschten Nebenreaktionen, die bisher die Nutzbarkeit von Silizium negativ beeinflusst haben. Die wichtigsten Herausforderungen von Silizium in Lithium-Ionen-Batterien liegen in der enormen Volumenexpansion von über 300 Prozent während der Lithiation. Diese volumetrische Vergrößerung verursacht Zerbrechen oder Verpulverung der Partikel, Bruch des elektrischen Kontakts und die Bildung instabiler Oberflächenreaktionen, durch die ständig neuer Festelektrolytschutzfilm (SEI) gebildet werden muss. Dies führt zu Verlusten an nutzbarem Lithium und reduziert den Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer der Batterie drastisch. Viele Ansätze versuchen, diese Probleme über spezielle Zusammensetzungen, poröse Siliziumstrukturen oder mittels Überzügen und Beschichtungen zu mildern.
Doch sie kämpfen oft mit einem Dilemma: Strukturen, die das mechanische Leben verlängern, beeinträchtigen häufig die schnelle Ionenbewegung und Ladegeschwindigkeit. Hier kommen die Sieving-Poren ins Spiel. Dabei handelt es sich um eine innovative Struktur, bei der der Porenkörper auf Nanoporengröße zugeschnitten ist, um die Volumenveränderungen des Siliziums während der Lithiation aufzunehmen. Gleichzeitig besitzen diese Poren einen eng definieren subnanometergroßen Eingang, welcher als „Sieb“ fungiert. Diese Verengung sorgt dafür, dass nur Lithium-Ionen und teilweise desolvatisierte Anionen in die elektrischen aktiven Bereiche eindringen können, während größere Lösungsmittelmoleküle zurückgehalten werden.
Dadurch wird die Elektrode vor unerwünschten elektrochemischen Nebenreaktionen geschützt, die typischerweise durch den direkten Kontakt mit flüssigen Elektrolytbestandteilen entstehen. Die mikrostrukturellen Vorteile der Sieving-Poren liegen in der Kombination aus mechanischer Stabilität und elektrochemischer Reaktivität. Während die inneren Hohlräume als Pufferräume fungieren und den Volumenschwankungen des Siliziums Raum bieten, verhindert der subnanoporige Eingang die volle Solvatisierung der Lithium-Ionen an der Grenzfläche. Diese „vorentkernte“ Solvathülle bewirkt eine schnellere Ionendiffusion und unterstützt den Aufbau eines überwiegend anorganischen, robusten SEI-Layers. Ein solcher Film zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und niedrigen elektrischen Widerstand für Lithium-Ionen aus, was deutliche Verbesserungen im Ladeverhalten und der Langzeitstabilität bewirkt.
Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass dieser strukturierte Ansatz im Vergleich zu klassischen „offenen“, „vergrabenen“ oder „geschlossenen“ Porenstrukturen mehrere Vorteile bietet. Offene Poren ermöglichen zwar rasche Ionentransporte, führen aber zu instabilen SEI-Schichten und Kapazitätsverlusten aufgrund der großen Oberfläche und direkten Elektrolytkontakt. Vergrabene Poren zeigen zwar bessere Stabilität, leiden jedoch unter langsamen Ionentransportwegen. Geschlossene Hohlkapsel-Strukturen schützen mechanisch, begrenzen aber die Ionenbeweglichkeit und verlangsamen somit die Ladegeschwindigkeit. Die Sieving-Poren sind als optimale Lösung darauf ausgelegt, die mechanische Stabilität zu erhalten und gleichzeitig eine beispiellose Ionenbeweglichkeit zu gewährleisten.
Die Herstellung dieser komplexen Nanostrukturen erfolgt üblicherweise durch gezielte chemische Gasphasenabscheidung in einem zweistufigen Prozess. Beim ersten Schritt wird amorphes Silizium in die porösen Kohlenstoffträger eingebettet. Anschließend erfolgt eine Carbonbeschichtung, die vor allem an den Poreneingängen eine präzise Verengung bewirkt, wodurch die Siebwirkung entsteht. Diese Technologie ist industriell skalierbar und erlaubt Mengen von bis zu mehreren zehn Kilogramm pro Charge, was die Kommerzialisierbarkeit begünstigt. Analytische Methoden wie Kleine-Winkel-Röntgenstreuung und Hochauflösende Elektronenmikroskopie belegen, dass die Sieving-Poren eine optimale Porengröße im Bereich von 0,35 bis 0,5 Nanometern besitzen.
Diese Größenordnung ist entscheidend, um Lithium-Ionen ohne ihre vollständige Solvathülle passieren zu lassen. Zudem bleibt ausreichend Volumen innerhalb des Porenkörpers frei, um das Volumenwachstum der Siliziumpartikel ohne mechanische Schäden aufzunehmen. Die Folge dieser nanotechnischen Innovation zeigt sich klar in den batterieelektrochemischen Eigenschaften. Beispielsweise weisen Siliziumelektroden mit Sieving-Poren eine hohen Anfangs-Koulombische Effizienz von über 93% auf, wobei der Wert bei herkömmlichen offenen Poren oft deutlich darunterliegt. Zudem bleibt die Kapazitätsretention bei über 97% auch nach mehreren hundert Ladezyklen erhalten, während vergleichbare Materialien vergleichsweise schnell Verschleiß aufweisen.
Besonders eindrucksvoll ist die Minimierung der Dehnung des Elektrodenmaterials während des Lade- und Entladevorgangs. Die Sieving-Poren-reichen Elektrodenschichten dehnen sich in vollem Lithiumzustand nur um etwa 58% aus – ein bedeutender Fortschritt gegenüber vielen Vorgängerkonzepten, die oft eine Volumenvergrößerung von 100% oder mehr aufzeigen. Weniger Expansion bedeutet weniger mechanische Spannungen, stabile Granulatstrukturen und somit eine höhere Lebensdauer der Batterie. Ein weiterer interessant erzielter Effekt ist das Unterdrücken der Bildung von kristallinem Li15Si4, einer Phase, die im Siliziumwandelprozess hohe Spannungen erzeugt und somit zu schnellerem Kapazitätsverlust führt. Die Mechanik der einschränkenden anorganischen SEI-Matrix zusammen mit der kohlenstoffbasierten Hüllstruktur erzeugt eine Spannung-Spannungs-Kopplung, die die unerwünschte kristalline Phase verhindert und die elektromechanische Stabilität verbessert.
Auf praktischer Ebene wurden Pouchzellen mit solchen Sieving-Poren-Siliziumelektroden gemischt mit Graphit getestet. Diese Zellen bieten nach über 1700 Ladezyklen bei moderaten Strömen noch 80% ihrer ursprünglichen Kapazität und überzeugen mit sehr schnellen Ladevorgängen von nur 10 Minuten auf nahezu Vollladung. Dies unterstreicht das enorme Potenzial für zukünftige Elektromobilitäts- und Speicheranwendungen, bei denen hohe Energiedichte und kurze Ladezeiten unverzichtbar sind. Nicht zuletzt zeichnet sich die Sieving-Pore-Technologie auch dadurch aus, dass sie aus kostengünstigen und reichlich verfügbaren Materialien gewonnen werden kann. Die CVD-Methoden sowie die Verwendung von weitverbreitetem porösem Kohlenstoff und Silizium erlauben eine breite industrielle Anwendbarkeit.
Das Konzept steht somit für eine nachhaltige Lösung, die den Übergang zu langlebigen und schnellen Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität zukunftsfähig macht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von Sieving-Poren in Silizium-Negativelektroden der Lithium-Ionen-Batterie ein wegweisendes Designkonzept darstellt. Die Kombination aus präzise strukturierten porösen Kohlenstoffträgern, optimierter Ionenselektion am Poreneingang, Bildung stabiler anorganischer SEI-Lagen und der Aufnahme volumetrischer Ausdehnung verbessert deutlich die Leistungsfähigkeit, Stabilität und Ladegeschwindigkeit. Diese Synergie aus mechano-chemischer Funktionalität öffnet Wege für die Kommerzialisierung leistungsstarker Siliziumbasierter Anoden und bringt die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien in eine neue Ära mit höherer Energiedichte, Zuverlässigkeit und Ladeeffizienz.
