Hetzelfde materiaal dat u aan de punt van een potlood vindt - grafiet - is lange tijd een belangrijk onderdeel geweest van de huidige lithium-ionbatterijen. Naarmate onze afhankelijkheid van deze batterijen toeneemt, echter, Op grafiet gebaseerde elektroden zijn aan een upgrade toe. Daarom, wetenschappers kijken naar het element in het hart van de digitale revolutie:silicium.

Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe manier bedacht om dit veelbelovende maar problematische ingrediënt voor energieopslag te gebruiken. Silicium, gebruikt in computerchips en vele andere producten, is aantrekkelijk omdat het 10 keer de elektrische lading per gram kan bevatten in vergelijking met grafiet. Het probleem is, silicium zet enorm uit wanneer het lithium tegenkomt, en het is te zwak om de druk van de elektrodeproductie te weerstaan.

Om deze problemen aan te pakken, een team onder leiding van PNNL-onderzoekers Ji-Guang (Jason) Zhang en Xiaolin Li ontwikkelde een unieke nanostructuur die de uitzetting van silicium beperkt en het met koolstof versterkt. Hun werk, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuurcommunicatie , nieuwe elektrodemateriaalontwerpen voor andere soorten batterijen zou kunnen informeren en uiteindelijk zou kunnen helpen de energiecapaciteit van de lithium-ionbatterijen in elektrische auto's te vergroten, elektronische apparaten, en andere apparatuur.

De nadelen uit silicium halen

Een geleidende en stabiele vorm van koolstof, grafiet is zeer geschikt voor het verpakken van lithiumionen in de anode van een batterij terwijl deze wordt opgeladen. Silicium kan meer lithium opnemen dan grafiet, maar het heeft de neiging om ongeveer 300 procent in volume op te blazen, waardoor de anode uit elkaar valt. De onderzoekers creëerden een poreuze vorm van silicium door kleine siliciumdeeltjes te aggregeren tot microsferen met een diameter van ongeveer 8 micrometer - ongeveer de grootte van één rode bloedcel.

"Een solide materiaal zoals steen, bijvoorbeeld, zal breken als het te veel in volume uitzet, " zei Zhang. "Wat we hebben gemaakt is meer sponsachtig, waar er binnen ruimte is om de uitzetting op te vangen."

De elektrode met poreuze siliciumstructuur vertoont een verandering in dikte van minder dan 20 procent, terwijl hij tweemaal de lading van een typische grafietanode herbergt, de studie gevonden. Echter, in tegenstelling tot eerdere versies van poreus silicium, de microsferen vertoonden ook een buitengewone mechanische sterkte, dankzij koolstofnanobuisjes die de bollen doen lijken op bollen garen.

Supersterke microsferen

De onderzoekers creëerden de structuur in verschillende stappen, te beginnen met het coaten van de koolstofnanobuisjes met siliciumoxide. Volgende, de nanobuisjes werden in een emulsie van olie en water gedaan. Daarna werden ze tot koken verhit.

"De gecoate koolstofnanobuisjes condenseren tot bollen wanneer het water verdampt, " zei Li. "Toen gebruikten we aluminium en hogere hitte om het siliciumoxide om te zetten in silicium, gevolgd door onderdompeling in water en zuur om bijproducten te verwijderen." Wat uit het proces naar voren komt, is een poeder dat bestaat uit de kleine siliciumdeeltjes op het oppervlak van koolstofnanobuisjes.

De sterkte van de poreuze siliciumbolletjes werd getest met behulp van de sonde van een atoomkrachtmicroscoop. De auteurs ontdekten dat een van de garenballen van nanoformaat "lichtjes kan meegeven en wat porositeit kan verliezen onder zeer hoge compressiekracht, maar het zal niet breken."

Dit belooft veel goeds voor commercialisering, omdat anodematerialen tijdens de fabricage hoge compressie in rollen moeten kunnen verwerken. De volgende stap, Zhang zei, is om meer schaalbare en economische methoden te ontwikkelen om de siliciummicrosferen te maken, zodat ze op een dag hun weg kunnen vinden naar de volgende generatie hoogwaardige lithium-ionbatterijen.