(Phys.org)—Onderzoekers van de Rice University hebben op silicium gebaseerde lithium-iontechnologie verfijnd door hun eerdere werk letterlijk te verpletteren om een ​​krachtige, duurzaam en goedkoop anodemateriaal met serieus commercieel potentieel voor oplaadbare lithiumbatterijen.

Het team onder leiding van Rice-ingenieur Sibani Lisa Biswal en onderzoekswetenschapper Madhuri Thakur rapporteerde in: Natuur 's open access tijdschrift Wetenschappelijke rapporten over de creatie van een op silicium gebaseerde anode, de negatieve elektrode van een batterij, die gemakkelijk 600 laad-ontlaadcycli haalt bij 1, 000 milliampère uur per gram (mAh/g). Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de 350 mAh/g capaciteit van de huidige grafietanodes.

Dat plaatst het vierkant in het rijk van de volgende generatie batterijtechnologie die concurreert om de kosten te verlagen en het bereik van elektrische voertuigen uit te breiden.

Het nieuwe werk van Rice via het langlopende Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Centre of Excellence bij Rice (LANCER) is de volgende en grootste logische stap sinds de partners vier jaar geleden begonnen met het onderzoeken van batterijen.

"We hebben eerder gerapporteerd over het maken van poreuze siliciumfilms, " zei Biswal, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering. "We zijn op zoek geweest om af te stappen van de filmgeometrie naar iets dat gemakkelijk kan worden overgebracht naar het huidige batterijproductieproces. Madhuri verpletterde de poreuze siliciumfilm om poreuze siliciumdeeltjes te vormen, een poeder dat gemakkelijk door batterijfabrikanten kan worden gebruikt."

Silicium kan 10 keer meer lithiumionen bevatten dan het grafiet dat tegenwoordig in anodes wordt gebruikt. Maar er is een probleem:Silicium verdrievoudigt zijn volume meer dan wanneer het volledig gelithieerd is. Bij herhaling, dit zwellen en krimpen zorgt ervoor dat silicium snel afbreekt.

Veel onderzoekers hebben gewerkt aan strategieën om silicium geschikter te maken voor batterijgebruik. Wetenschappers van Rice en elders hebben nanogestructureerd silicium gemaakt met een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding, waardoor het silicium een ​​grotere volume-uitbreiding kan opvangen. Biswal, hoofdauteur Thakur en co-auteur Michael Wong, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering en in de chemie, probeerde de tegenovergestelde benadering; ze etsten poriën in siliciumwafels om het materiaal de ruimte te geven om uit te zetten. Door eerder dit jaar, ze waren gevorderd om sponsachtige siliconenfilms te maken die nog veelbelovender waren.

Maar zelfs die films vormden een probleem voor fabrikanten, zei Thakur. "Ze zijn niet gemakkelijk te hanteren en zouden moeilijk op te schalen zijn." Maar door de sponzen tot poreuze korrels te pletten, het materiaal krijgt veel meer oppervlakte om lithiumionen op te nemen.

Biswal hield twee flesjes omhoog, een met 50 milligram gemalen silicium, de andere 50 milligram poreus siliciumpoeder. Het verschil tussen hen was duidelijk. "De oppervlakte van ons materiaal is 46 vierkante meter per gram, " zei ze. "Verpletterd silicium is 0,71 vierkante meter per gram. Dus onze deeltjes hebben meer dan 50 keer de oppervlakte, wat ons een groter oppervlak geeft voor lithiëring, met veel lege ruimte om uitzetting op te vangen." Het poreuze siliciumpoeder wordt gemengd met een bindmiddel, gepyrolyseerd polyacrylonitril (PAN), die geleidende en structurele ondersteuning biedt.

"Als een poeder, ze kunnen worden gebruikt in grootschalige roll-to-roll-verwerking door de industrie, " zei Thakur. "Het materiaal is heel eenvoudig te synthetiseren, kosteneffectief en geeft een hoge energiecapaciteit over een groot aantal cycli."

"Dit werk laat zien hoe belangrijk en nuttig het is om de interne poriën en de externe grootte van de siliciumdeeltjes te kunnen controleren, ' zei Wong.

Bij recente experimenten is Thakur ontwierp een halfcel batterij met lithiummetaal als tegenelektrode en stelde de capaciteit van de anode vast op 1, 000mAh/g. Dat was slechts ongeveer een derde van zijn theoretische capaciteit, maar drie keer beter dan de huidige batterijen. De anodes gingen 600 laad-ontlaadcycli mee met een C/2-snelheid (twee uur om op te laden en twee uur om te ontladen). Een andere anode blijft draaien met een C/5-snelheid (vijf uur opladen en vijf uur ontladen) en zal naar verwachting op 1 blijven. 000 mAh/g voor meer dan 700 cycli.

"Deze succesvolle onderneming tussen Rice University en Lockheed Martin Mission Systems and Sensors zal een aanzienlijke verbetering van de batterijtechnologie opleveren door de ontwikkeling van deze goedkope fabricagetechniek voor siliciumanodemateriaal, " zei Steven Sinsabaugh, een Lockheed Martin Fellow die samenwerkt met LANCER en een co-auteur van het artikel samen met Lockheed Martin-onderzoeker Mark Isaacson. "We zijn erg enthousiast over deze doorbraak en kijken ernaar uit om deze technologie over te zetten naar de commerciële markt."

"De volgende stap zal zijn om dit poreuze siliciumpoeder te testen als een anode in een volle batterij, Biswal zei. "Onze voorlopige resultaten met kobaltoxide als kathode lijken veelbelovend, en er zijn nieuwe kathodematerialen die we willen onderzoeken."