Silicium is het op één na meest voorkomende element op aarde en vormt maar liefst 27,7% procent van de aardkorst. Afgezien van het vermogen om zandstranden en heldere glazen te creëren, heeft silicium ook het potentieel om zeer efficiënte metaalionbatterijen te maken.

In een wereld waar alternatieve energieopslagapparaten zoals lithium-ionbatterijen aan kracht winnen, is het nodig om gebruik te maken van de uitstekende specifieke energiecapaciteit van silicium als elektrodemateriaal. De commerciële toepassing van op silicium gebaseerde elektrodematerialen wordt vaak gehinderd door twee belangrijke redenen:1) gebrek aan mechanische stabiliteit als gevolg van ongecontroleerde volume-expansie bij lithiëring, het proces van combineren met een lithium-ion, en 2) snelle energievervaging veroorzaakt door de vorming van onstabiele solid-elektrode interface (SEI) vorming.

In de loop der jaren hebben wetenschappers verschillende geavanceerde op silicium gebaseerde negatieve elektroden of anodematerialen ontwikkeld om de bovengenoemde problemen te overwinnen. De meest prominente daarvan zijn silicium nanomaterialen. Silicium-nanomaterialen hebben echter bepaalde nadelen, zoals een grote vraag- en aanbodkloof, een moeilijk en duur syntheseproces en, belangrijker nog, een dreiging van snel opdrogen van de batterij.

Nu stelt een groep onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) onder leiding van prof. Noriyoshi Matsumi een oplossing voor voor deze problemen die siliciummicrondeeltjes (SiMP) teisteren. In hun studie gepubliceerd in Journal of Materials Chemistry A op 18 juli 2022 rapporteerde het team een ​​holistische benadering voor het synthetiseren van nieuwe, zeer veerkrachtige SiMP's bestaande uit zwarte glazen (siliciumoxycarbide) geënt silicium als anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen. Het onderzoeksteam bestond uit Ravi Nandan, een research fellow, Noriyuki Takamori, een doctoraalstudent, Koichi Higashimine, een technisch specialist, en Dr. Rajashekar Badam, een voormalig Senior Lecturer bij JAIST.

"Siliconen nanodeeltjes kunnen een groter effectief oppervlak bieden, maar dat heeft zijn eigen nadelen, zoals een verhoogd verbruik van elektrolyt en een slechte initiële coulombefficiëntie na een paar cycli van opladen en ontladen. SiMP's zijn het meest geschikt, goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar alternatieven, vooral in combinatie met materialen met uitzonderlijke structurele eigenschappen, zoals zwart siliciumoxycarbideglas. Ons materiaal presteert niet alleen goed, maar is ook bevorderlijk voor schaalmogelijkheden", legt prof. Matsumi uit toen hem werd gevraagd naar de grondgedachte achter het onderzoek.

Het team ontwierp een materiaal van het kern-schaaltype waarbij de kern bestond uit SiMP gecoat in een laag koolstof en vervolgens werden de zwarte siliciumoxycarbideglazen als schaallaag geënt. De bereide materialen werden vervolgens gebruikt in een anodische halfcelconfiguratie om hun vermogen om lithium omkeerbaar op te slaan onder verschillende potentiële vensters te testen. Deze screening toonde aan dat het materiaal een groot lithiumdiffusievermogen, verminderde interne weerstand en algehele volumetrische uitzetting heeft. De superieure elektrochemische eigenschappen van dit nieuwe materiaal werden verder bevestigd door het behoud van 99,4% van de energiecapaciteit, zelfs na 775 cycli van opladen en ontladen. Naast de superieure energieopslagcapaciteiten, vertoonde het materiaal ook een grote mechanische stabiliteit tijdens het testproces.

De resultaten wijzen sterk op de superioriteit van de nieuwe op SiMP gebaseerde actieve anodematerialen. Deze materialen hebben inderdaad nieuwe wegen geopend voor de toepassing van silicium in secundaire lithium-ionbatterijen van de volgende generatie. Het opschalingsvermogen van dit syntheseproces kan een bijdrage leveren aan het overbruggen van de kloof tussen laboratoriumonderzoek en industriële toepassingen op het gebied van energieopslag. Dit is vooral belangrijk voor de productie van goedkope elektrische voertuigen, die de CO2-uitstoot aanzienlijk kunnen verminderen. Prof. Matsumi benadrukt deze belangrijke toepassing van hun studie door te zeggen:"onze methodologie biedt een effectieve manier voor de ontwikkeling van hoogwaardige anodematerialen voor energiezuinige lithium-ionbatterijen, wat een essentiële bouwsteen is voor het creëren van een duurzame en energiezuinige morgen koolstof." + Verder verkennen

Een eenvoudige methodologie voor de synthese van nieuwe op β-SiC nanodeeltjes gebaseerde anodematerialen voor lithium-ionbatterijen