Farasis-Batteriezelle: 25% mehr Energiedichte durch Siliciumanode

Anodenmaterial von Group14 sorgt für 330 Wh/kg – ein Viertel mehr als bei gängigen Zellen

Farasis-Batteriezelle mit 330 Wh/kg nutzt Anode mit Slicium-Kohlenstoff-Material von Group14

Stefan Leichsenring

Von: Stefan Leichsenring

10. Okt. 2021 um 15:29 Uhr

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Zwei Technologien haben derzeit wohl die größten Chancen, wenn es um Batteriezellen für mehr Reichweite geht: Neben Festkörperbatterien sind das Zellen mit Silicium-Anode. Eine solche Zelle hat nun der chinesische Hersteller Farasis hergestellt, wie Group14 nun meldet. Von dieser US-amerikanischen Spezialfirma stammt das Anodenmaterial.

Die von Farasis erzeugte Zelle hat eine gravimetrische Energiedichte von 330 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Damit ist die gewichtsbezogene Energiedichte um ein Viertel höher als bei den heute gängigen Batteriezellen mit Graphit-Anode, wo sie laut Farasis bei 260 Wh/kg liegt.

Die volumenbezogene Energiedichte der Farasis-Zelle soll 750 Wh/Liter betragen. Zudem soll die Zelle über 1.000 Lade-Entlade-Zyklen verkraften. 1.000 Zyklen würden bei einer Reichweite von 300 km und einer Fahrleistung von 20.000 km jährlich schon 15 Jahre Lebensdauer bedeuten.

Die neue Farasis-Innovation ist eine Pouch-Zelle. Bei Pouch-Zellen ergibt sich schon durch die "Verpackung" in eine Aluminium-Kunststoff-Verbundfolie eine Gewichtseinsparung gegenüber prismatischen oder zylindrischen Hardcase-Zellen – und damit eine höhere Energiedichte.

Das verwendete Anodenmaterial von Group14 trägt die Bezeichnung SCC55 und besteht nicht aus reinem Silicium, sondern einer Mischung aus Kohlenstoff und Silicium, wobei der Kohlenstoff das Gerüst liefert. Das Material soll im kommerziellen Maßstab in dem Group14-Werk für Battery Active Materials (BAM) im US-Bundesstaat Washington hergestellt werden. In Serie eingesetzt werden soll die Technik wohl aber erst ab 2023. Das sagte Group14-Chef Rick Luebbe gegenüber Bloomberg.

Graphit hat als Anodenmaterial den Vorteil, dass die Lithium-Ionen, wenn sie sich beim Aufladen als neutrales Lithium abscheiden, problemlos in das Kohlenstoff-Gitter des Materials aufgenommen werden. Dabei bildet sich eine so genannte Interkalationsverbindung. Da der Gitterabstand dabei fast konstant bleibt, kommt es nicht zu Spannungen oder Brüchen in der Anode. Elon Musk sagte einmal, das wäre so, wie wenn man Bücher ins Regal stellt: Die Regalabstände bleiben konstant. Genauer erklärt es ein Ingenieur Christian von Lüders in der gut verständlichen Einleitung seiner Doktorarbeit (Kapitel 2.2).

Silicium anstelle von Graphit hätte den Vorteil, dass mehr Lithium in dem Gitter Platz hätte – damit könnte die Batteriezelle auch mehr elektrische Energie speichern. Theoretisch sollte sich die volumenbezogene Energiedichte sogar verzehnfachen. Ein Problem besteht aber darin, dass sich das Silicium-Gitter bei der Aufnahme von Lithium aufweitet. Group14 setzt daher amorphes Silicium als Nanomaterial ein, was die Struktur offenbar stützt.

Silicium-Anoden sollen auch weniger zum Lithium-Plating neigen, wie Porsche-Chef Oliver Blume beim VW Power Day im März sagte. Der Taycan nutze solche Zellen bereits, sagte Blume damals. Unter Lithium-Plating versteht man eine oberflächliche Abscheidung von metallischem Lithium an der Anode, was eine Einlagerung von Lithium in das Graphit-Material verhindert und so die Lebensdauer der Zelle verkürzt. Lithium-Plating tritt vor allem bei hohen Ladeleistungen auf. Da Zellen mit Si-Anode weniger dazu neigen, lassen sich solche Zellen schneller aufladen.