Een team van wetenschappers van Rice University en Lockheed Martin heeft een manier ontdekt om eenvoudig silicium te gebruiken om de capaciteit van lithium-ionbatterijen radicaal te vergroten.

Sibani Lisa Biswal, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering, onthulde hoe zij, collega Michael Wong, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering en in de chemie, en Steven Sinsabaugh, een Lockheed Martin-collega, verbeteren het inherente vermogen van silicium om lithiumionen te absorberen.

Hun werk werd vandaag geïntroduceerd op Rice's Buckyball Discovery Conference, onderdeel van een jaarlijkse viering van de 25ste verjaardag van de Nobelprijswinnende ontdekking van het buckminsterfullereen, of koolstof 60, molecuul. ( PhysOrg.com is een officiële mediasponsor van het evenement ). Het zou een belangrijk onderdeel kunnen worden van batterijen voor elektrische auto's en energieopslag met grote capaciteit, ze zeiden.

"De anode, of negatief, kant van de huidige batterijen is gemaakt van grafiet, die werkt. Het is overal, ' zei Wong. 'Maar het is op. Je kunt niet meer lithium in grafiet stoppen dan we al hebben."

Silicium heeft de hoogste theoretische capaciteit van alle materialen voor het opslaan van lithium, maar er is een serieus nadeel aan het gebruik ervan. "Het kan veel lithium opzuigen, ongeveer 10 keer meer dan koolstof, wat fantastisch lijkt, zei Wong. "Maar na een paar cycli van zwellen en krimpen, het gaat barsten."

Andere laboratoria hebben geprobeerd het probleem op te lossen met tapijten van silicium nanodraden die lithium absorberen zoals een dweil water opzuigt, maar het Rice-team sloeg een andere weg in.

Met Mahduri Thakur, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van Rice, en Mark Isaacson van Lockheed Martin, Biswal, Wong en Sinsabaugh ontdekten dat door poriën van microngrootte in het oppervlak van een siliciumwafel te plaatsen, het materiaal voldoende ruimte heeft om uit te zetten. Terwijl gewone lithium-ionbatterijen ongeveer 300 milliampère uur per gram op koolstof gebaseerd anodemateriaal bevatten, ze bepaalden dat het behandelde silicium theoretisch meer dan 10 keer die hoeveelheid zou kunnen opslaan.

Sinsabaugh beschreef de doorbraak als een van de eerste vruchten van het Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Centre of Excellence in Rice (LANCER). Hij zei dat het project drie jaar geleden begon toen hij Biswal in Rice ontmoette en aantekeningen vergeleek. "Ze werkte aan poreus silicium, en ik wist dat silicium nanostructuren werden bekeken voor batterijanoden. We zetten twee en twee bij elkaar, " hij zei.

Nanoporiën zijn eenvoudiger te maken dan silicium nanodraden, zei Biswal. de poriën, een micron breed en van 10 tot 50 micron lang, vorm wanneer positieve en negatieve lading wordt aangebracht op de zijkanten van een siliciumwafel, die vervolgens wordt gebaad in een fluorwaterstofoplosmiddel. "De waterstof- en fluorideatomen scheiden, "zei ze. "Het fluor tast één kant van het silicium aan, de poriën vormen. Ze vormen verticaal vanwege de positieve en negatieve vooringenomenheid."

Het behandelde silicium, ze zei, "ziet eruit als Zwitserse kaas."

Het ongecompliceerde proces maakt het zeer geschikt voor productie, ze zei. "We hebben sommige van de moeilijke verwerkingsstappen die ze doen niet nodig - het hoge vacuüm en het wassen van de nanobuisjes. Bulk-etsen is veel eenvoudiger te verwerken.

"Het andere voordeel is dat we een vrij lange levensduur hebben gezien. Onze huidige batterijen hebben 200-250 cycli, veel langer dan nanodraadbatterijen, ' zei Biswal.

Ze zeiden dat het plaatsen van poriën in silicium een ​​echte evenwichtsoefening vereist, naarmate er meer ruimte wordt gereserveerd voor de gaten, hoe minder materiaal er beschikbaar is om lithium op te slaan. En als het silicium uitzet tot het punt waar de poriënwanden elkaar raken, het materiaal kan degraderen.

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat goedkope, overvloedig silicium in combinatie met het gemak van fabricage zou kunnen helpen hun idee in de mainstream te duwen.

"We zijn erg enthousiast over het potentieel van dit werk, "Zei Sinsabaugh. "Dit materiaal heeft het potentieel om de prestaties van lithium-ionbatterijen aanzienlijk te verbeteren, die worden gebruikt in een breed scala van commerciële, militaire en ruimtevaarttoepassingen

Biswal en Wong zijn van plan om het mechanisme te bestuderen waarmee silicium lithium absorbeert en hoe en waarom het afbreekt. "Ons doel is om een ​​model te ontwikkelen van de spanning die silicium ondergaat in fietsend lithium, " zei Wong. "Als we dat eenmaal begrijpen, we zullen een veel beter idee hebben van hoe we het potentieel ervan kunnen maximaliseren."