met silicium nanodeeltjes geclusterd als zaden in een taaie koolstofschil - overwint verschillende resterende obstakels voor het gebruik van silicium voor een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen, zeggen de uitvinders aan de Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

"Hoewel er nog een aantal uitdagingen zijn, dit ontwerp brengt ons dichter bij het gebruik van siliciumanoden in kleinere, lichtere en krachtigere batterijen voor producten zoals mobiele telefoons, tablets en elektrische auto's, " zei Yi Cui, een universitair hoofddocent aan Stanford en SLAC die het onderzoek leidde, vandaag gemeld in Natuur Nanotechnologie .

"Experimenten toonden aan dat onze op granaatappel geïnspireerde anode zelfs na 1 op 97 procent van de capaciteit werkt. 000 cycli van opladen en ontladen, wat het ruim binnen het gewenste bereik voor commerciële exploitatie plaatst."

de anode, of negatieve elektrode, is waar energie wordt opgeslagen wanneer een batterij wordt opgeladen. Siliciumanoden kunnen 10 keer meer lading opslaan dan de grafietanodes in de oplaadbare lithium-ionbatterijen van vandaag, maar ze hebben ook grote nadelen:het broze silicium zwelt op en valt uit elkaar tijdens het opladen van de batterij, en het reageert met het elektrolyt van de batterij om smurrie te vormen die de anode bedekt en de prestaties verslechtert.

In de afgelopen acht jaar is Het team van Cui heeft het breukprobleem aangepakt door silicium nanodraden of nanodeeltjes te gebruiken die te klein zijn om in nog kleinere stukjes te breken en de nanodeeltjes te omhullen in koolstof "dooierschalen" die ze ruimte geven om op te zwellen en te krimpen tijdens het opladen.

De nieuwe studie bouwt voort op dat werk. Afgestudeerde student Nian Liu en postdoctoraal onderzoeker Zhenda Lu gebruikten een micro-emulsietechniek die veel voorkomt in de olie, verf- en cosmetica-industrie om siliciumdooierschalen in clusters te verzamelen, en bedekte elk cluster met een tweede, dikkere laag koolstof. Deze koolstofschillen houden de granaatappeltrossen bij elkaar en zorgen voor een stevige snelweg voor elektrische stromen.

En aangezien elke granaatappeltros slechts een tiende van het oppervlak heeft van de individuele deeltjes erin, een veel kleiner gebied wordt blootgesteld aan de elektrolyt, waardoor de hoeveelheid smurrie die zich vormt tot een beheersbaar niveau wordt verminderd.

Hoewel de clusters te klein zijn om afzonderlijk te zien, samen vormen ze een fijn zwart poeder dat kan worden gebruikt om een ​​stuk folie te coaten en een anode te vormen. Laboratoriumtests toonden aan dat granaatappelanodes goed werkten als ze werden gemaakt in de dikte die nodig is voor commerciële batterijprestaties.

Hoewel deze experimenten aantonen dat de techniek werkt, Cui zei, het team zal nog twee problemen moeten oplossen om het op commerciële schaal levensvatbaar te maken:ze moeten het proces vereenvoudigen en een goedkopere bron van siliciumnanodeeltjes vinden. Een mogelijke bron zijn rijstschillen:ze zijn ongeschikt voor menselijke voeding, geproduceerd door de miljoenen tonnen en 20 procent siliciumdioxide per gewicht. Volgens Liu, ze kunnen relatief gemakkelijk worden omgezet in pure silicium nanodeeltjes, zoals zijn team onlangs beschreef in Scientific Reports.

"Voor mij is het heel opwindend om te zien hoeveel vooruitgang we hebben geboekt in de afgelopen zeven of acht jaar, " zei Cui, "en hoe we de problemen één voor één hebben opgelost."