Een nieuwe hoogwaardige anodestructuur op basis van silicium-koolstof nanocomposietmaterialen zou de prestaties van lithium-ionbatterijen die worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van hybride voertuigen tot draagbare elektronica, aanzienlijk kunnen verbeteren.

Geproduceerd met een "bottom-up" zelfmontagetechniek, de nieuwe structuur maakt gebruik van nanotechnologie om de materiaaleigenschappen te verfijnen, het aanpakken van de tekortkomingen van eerdere op silicium gebaseerde batterijanoden. Het simpele, goedkope fabricagetechniek is ontworpen om gemakkelijk te kunnen worden opgeschaald en compatibel te zijn met de bestaande batterijproductie.

Details van de nieuwe zelfassemblage-aanpak werden online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen op 14 maart.

"De ontwikkeling van een nieuwe benadering voor het produceren van hiërarchische anode- of kathodedeeltjes met gecontroleerde eigenschappen opent de deur naar veel nieuwe richtingen voor lithium-ionbatterijtechnologie, " zei Gleb Yushin, een assistent-professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Dit is een belangrijke stap in de richting van commerciële productie van op silicium gebaseerde anodematerialen voor lithium-ionbatterijen."

De populaire en lichtgewicht batterijen werken door lithiumionen over te brengen tussen twee elektroden - een kathode en een anode - via een vloeibare elektrolyt. Hoe efficiënter de lithiumionen de twee elektroden kunnen binnendringen tijdens laad- en ontlaadcycli, hoe groter de capaciteit van de batterij zal zijn.

Bestaande lithium-ionbatterijen vertrouwen op anodes gemaakt van grafiet, een vorm van koolstof. Op silicium gebaseerde anoden bieden theoretisch maar liefst een tienvoudige capaciteitsverbetering ten opzichte van grafiet, maar anodes op basis van silicium zijn tot nu toe niet stabiel genoeg geweest voor praktisch gebruik.

Grafietanoden gebruiken deeltjes met een grootte van 15 tot 20 micron. Als siliciumdeeltjes van die grootte eenvoudigweg het grafiet vervangen, uitzetting en samentrekking als de lithiumionen het silicium binnenkomen en verlaten, veroorzaakt scheuren waardoor de anode snel defect raakt.

Het nieuwe nanocomposietmateriaal lost dat degradatieprobleem op, mogelijk waardoor batterijontwerpers de capaciteitsvoordelen van silicium kunnen benutten. Dat kan een hoger uitgangsvermogen van een bepaalde batterijgrootte mogelijk maken - of een kleinere batterij in staat stellen een vereiste hoeveelheid stroom te produceren.

"Op nanoschaal we kunnen materiaaleigenschappen met veel betere precisie afstemmen dan op traditionele maatschalen, " zei Yushin. "Dit is een voorbeeld van waar het hebben van fabricagetechnieken op nanoschaal tot betere materialen leidt."

Elektrische metingen van de nieuwe composietanoden in kleine muntcellen toonden aan dat ze een capaciteit hadden die meer dan vijf keer groter was dan de theoretische capaciteit van grafiet.

De fabricage van de composietanode begint met de vorming van sterk geleidende vertakkingsstructuren - vergelijkbaar met de takken van een boom - gemaakt van koolstofzwarte nanodeeltjes die zijn uitgegloeid in een buisoven op hoge temperatuur. Silicium nanobolletjes met een diameter van minder dan 30 nanometer worden vervolgens gevormd in de koolstofstructuren met behulp van een chemisch opdampproces. De composietstructuren van silicium en koolstof lijken op 'appels die aan een boom hangen'.

Met behulp van grafietkool als elektrisch geleidend bindmiddel, de silicium-koolstofcomposieten worden vervolgens zelf geassembleerd tot stijve bollen met open, onderling verbonden interne poriekanalen. de sferen, gevormd in maten variërend van 10 tot 30 micron, worden gebruikt om batterijanoden te vormen. De relatief grote composietpoedergrootte - duizend keer groter dan individuele siliciumnanodeeltjes - maakt een gemakkelijke poederverwerking voor anodefabricage mogelijk.

De interne kanalen in de silicium-koolstofbollen hebben twee doelen. Ze laten vloeibare elektrolyt toe om snel lithiumionen binnen te laten voor snel opladen van de batterij, en ze bieden ruimte om uitzetting en samentrekking van het silicium op te vangen zonder de anode te kraken. De interne kanalen en deeltjes op nanometerschaal bieden ook korte lithiumdiffusiepaden in de anode, het versterken van de kenmerken van het batterijvermogen.

De grootte van de siliciumdeeltjes wordt bepaald door de duur van het chemische dampafzettingsproces en de druk die op het depositiesysteem wordt uitgeoefend. De grootte van de koolstof nanostructuur takken en de grootte van de silicium bolletjes bepalen de poriegrootte in het composiet.

De productie van de silicium-koolstofcomposieten zou kunnen worden opgeschaald als een continu proces dat geschikt is voor poederproductie in ultrahoge volumes, zei Yushin. Omdat de uiteindelijke samengestelde bollen relatief groot zijn wanneer ze tot anodes worden gefabriceerd, de zelfassemblagetechniek vermijdt de potentiële gezondheidsrisico's van het hanteren van poeders op nanoschaal, hij voegde toe.

Eenmaal gefabriceerd, de nanocomposietanoden zouden net als conventionele grafietstructuren in batterijen worden gebruikt. Dat zou batterijfabrikanten in staat stellen om het nieuwe anodemateriaal te gebruiken zonder drastische veranderingen in productieprocessen aan te brengen.

Tot dusver, de onderzoekers hebben de nieuwe anode door meer dan honderd laad-ontlaadcycli getest. Yushin gelooft dat het materiaal duizenden cycli stabiel zou blijven omdat er geen afbraakmechanismen aan het licht zijn gekomen.

"Als deze technologie op capaciteitsbasis lagere kosten kan bieden, of lichter in vergelijking met de huidige technieken, dit zal de markt voor lithiumbatterijen vooruit helpen, ", zei hij. "Als we in staat zijn om goedkopere batterijen te produceren die lang meegaan, dit zou ook de invoering van veel 'groene' technologieën kunnen vergemakkelijken, zoals elektrische voertuigen of zonnecellen."