Wetenschappers van Stanford University hebben de prestaties van lithium-ionbatterijen drastisch verbeterd door nieuwe elektroden gemaakt van silicium en geleidende polymeerhydrogel te maken, een sponsachtig materiaal vergelijkbaar met dat gebruikt in contactlenzen en andere huishoudelijke producten.

Schrijven in de 4 juni-editie van het tijdschrift Natuurcommunicatie , beschrijven de wetenschappers een nieuwe techniek voor het produceren van goedkope, op silicium gebaseerde batterijen met potentiële toepassingen voor een breed scala aan elektrische apparaten.

"De ontwikkeling van oplaadbare lithium-ionbatterijen met een hoge energiedichtheid en een lange levensduur is van cruciaal belang om tegemoet te komen aan de steeds toenemende behoefte aan energieopslag voor draagbare elektronica, elektrische voertuigen en andere technologieën, " zei co-auteur van de studie Zhenan Bao, een professor in de chemische technologie aan de Stanford.

Om een ​​praktische, goedkoop materiaal dat de opslagcapaciteit van lithium-ionbatterijen vergroot, Bao en haar Stanford-collega's wendden zich tot silicium - een overvloedig, milieuvriendelijk element met veelbelovende elektronische eigenschappen.

"We proberen al enkele jaren elektroden op basis van silicium te ontwikkelen voor lithium-ionbatterijen met hoge capaciteit, " zei co-auteur Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford. "Silicium heeft 10 keer de ladingsopslagcapaciteit van koolstof, het conventionele materiaal dat wordt gebruikt in lithium-ionelektroden. Het probleem is dat silicium uitzet en breekt."

Studies hebben aangetoond dat siliciumdeeltjes een volume-expansie van 400 procent kunnen ondergaan in combinatie met lithium. Wanneer de batterij is opgeladen of ontladen, de opgeblazen deeltjes hebben de neiging te breken en elektrisch contact te verliezen. Om deze technische beperkingen te overwinnen, het Stanford-team gebruikte een fabricagetechniek die in situ synthesepolymerisatie wordt genoemd en die de siliciumnanodeeltjes in de geleidende hydrogel bedekt.

Met deze techniek konden de wetenschappers een stabiele lithium-ionbatterij maken die een hoge opslagcapaciteit behield tot 5, 000 cycli van opladen en ontladen.

"We schrijven de uitzonderlijke elektrochemische stabiliteit van de batterij toe aan de unieke architectuur op nanoschaal van de silicium-composietelektrode, ' zei Bao.

Met behulp van een scanning elektronenmicroscoop, de wetenschappers ontdekten dat de poreuze hydrogelmatrix vol zit met lege ruimtes waardoor de siliciumnanodeeltjes kunnen uitzetten wanneer lithium wordt ingebracht. Deze matrix vormt ook een driedimensionaal netwerk dat tijdens het laden en ontladen een elektronisch geleidend pad creëert.

"Het blijkt dat hydrogel bindingsplaatsen heeft die heel goed hechten aan siliciumdeeltjes en tegelijkertijd kanalen bieden voor het snelle transport van elektronen en lithiumionen, " legde Cui uit, een hoofdonderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences van het SLAC National Accelerator Laboratory. "Dat maakt een zeer krachtige combinatie."

Een eenvoudig mengsel van hydrogel en silicium bleek veel minder effectief dan de in situ synthese-polymerisatietechniek. "Eerst de hydrogel maken en daarna mengen met de siliciumdeeltjes werkte niet goed, Bao zei. "Er was een extra stap voor nodig die de prestaties van de batterij daadwerkelijk verminderde. Met onze techniek, elk silicium nanodeeltje is ingekapseld in een geleidende polymeer oppervlaktecoating en is verbonden met het hydrogelraamwerk. Dat verbetert de algehele stabiliteit van de batterij."

Hydrogel bestaat voornamelijk uit water, waardoor lithium-ionbatterijen kunnen ontbranden - een potentieel probleem dat het onderzoeksteam moest aanpakken. "We gebruikten de driedimensionale netwerkeigenschap van de hydrogel in de elektrode, maar in de laatste productiefase, het water is verwijderd, ' zei Bao. 'Je wilt geen water in een lithium-ionbatterij.'

Hoewel er nog een aantal technische problemen zijn, Cui is optimistisch over mogelijke commerciële toepassingen van de nieuwe techniek om elektroden van silicium en andere materialen te maken.

"Het fabricageproces van de elektroden dat in het onderzoek wordt gebruikt, is compatibel met de bestaande technologie voor het vervaardigen van batterijen, " zei hij. "Silicium en hydrogel zijn ook goedkoop en overal verkrijgbaar. Door deze factoren kunnen hoogwaardige siliciumcomposietelektroden worden opgeschaald voor de productie van de volgende generatie lithium-ionbatterijen. Het is een heel eenvoudige aanpak die tot een zeer krachtig resultaat heeft geleid."