Whoop 4.0: Sila Nanotech liefert erste Akkus mit Siliziumanode

Neue Akkus haben 18 Prozent mehr Energiedichte und Hoffnung auf weitere Verbesserung. Zwar nur in Fitness-Uhren, aber nicht nur in der Theorie.

Artikel veröffentlicht am 9. September 2021, 10:43 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

Der Akku in der Bildmitte speichert mehr als alle derzeit verfügbaren Lithium-Ionen-Akkus. (Bild: Whoop)

Der neue Whoop 4.0 Fitness Tracker wird die Welt nicht verändern, aber der Akku darin bringt einige Fortschritte in der Akkutechnologie vom Labor in die Realität. Dahinter steht die Firma Sila Nanotech. Sie hat eine Anode mit großen Silizium-Anteilen für Lithium-Ionen-Akkus entwickelt. Sie kann beim gleichen Gewicht vier bis fünfmal so viel Lithium speichern wie herkömmliche Graphitanoden.

Allerdings ist die Anode nur der zweitschwerste Teil des Akkus, so dass die Gewichtseinsparung für den gesamten Akku weit weniger beeindruckend ist. Bei der gleichen Kapazität wiegt er etwa 15 Prozent weniger. Die Firma hofft, die Technik in den nächsten Jahren auch im großen Maßstab produzieren zu können und damit große Akkuhersteller zu beliefern. Anders als Festkörperakkus, die Firmen wie Quantumscape oder Solid Power entwickeln, oder die Siiziumanoden von Tesla soll die Technologie vollkommen kompatibel zur bestehenden Akkutechnik mit flüssigen Elektrolyten sein.

Theoretisch kann Silizium etwa zehnmal so viel Lithium in der Anode speichern wie derzeit gebräuchliche Graphitanoden. Aber es schwillt bei dem Prozess auf mehr als das dreifache Volumen an und würde dabei in einem normalen Akku zu kleinen Partikeln pulverisiert. Dabei verliert ein Teil des Siliziums den elektrischen Kontakt und ist nicht mehr als Anode aktiv und wenn doch, lagert sich auf der freigelegten Oberfläche der zerbrochenen Siliziumpartikel eine Schicht aus unlöslichen Lithium-Salzen ab. Dem Akku geht aktives Lithium verloren und die Kapazität sinkt.

Kohlenstoffkapseln machen Silizium normal nutzbar

Sila Nanotech entwickelt chemische Verfahren, die kleine Kohlenstoffkapseln erzeugen, in denen sich Hohlräume mit Silziumpartikeln befinden. Die Kapsel stellt sicher, dass genug Platz für die Ausdehnung des Siliziums zur Verfügung steht und die Siliziumpartikel nicht den elektrischen Kontakt verlieren. Außerdem verhindert sie die Entstehung von zusätzlichen Oberflächen, auf denen sich Lithiumsalze bilden.

Bislang sind die Verfahren aber noch so teuer, dass sie nur für Geräte lohnen, in denen die Kosten für den Akku eine untergeordnete Rolle spielen. Die Verfahrenskosten können aber gesenkt werden, wenn es im großen Maßstab durchgeführt wird. Sila Nanotech hofft, durch Herstellung großer Mengen ähnliche Preise wie für Graphitanoden mit vergleichbarer Kapazität zu erreichen. Immerhin muss dafür nur ein Fünftel der Materialmenge hergestellt werden. Welche Hoffnungen die Firma für die Zukunft hat, hat sie in einem Whitepaper dargestellt.

Ein großes Hindernis bei der Entwicklung der Technologie scheinen Patente zu sein, mit denen die Entwicklungen mehrerer Firmen gegenseitig blockiert werden, wie das Wissenschaftsmagazin C&EN berichtet. Dabei stellt die Kapseltechnik nicht nur für Siliziumanoden eine Schlüsseltechnologie dar, sondern auch für fortgeschrittene Kathodenmaterialien mit großer Volumenänderung wie Schwefel oder Konversionsmaterialien wie Eisenflourid, auf denen sich ohne stabile Schutzschichten ebenso Schichten aus Lithiumsalzen bilden können.