Een onderzoeksgroep onder leiding van Naoki Fukata, een leider van Nanostructured Semiconducting Materials Group bij het International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), Nationaal Instituut voor Materiaalkunde (NIMS), Japan, en een onderzoeksgroep aan het Georgia Institute of Technology, ONS, hebben gezamenlijk een anodemateriaal ontwikkeld voor oplaadbare lithium (Li)-ionbatterijen door nanodeeltjes gemaakt van silicium (Si)-metaalcomposieten op metalen substraten te vormen. Het resulterende anodemateriaal had een hoge capaciteit - bijna twee keer zo hoog als conventionele materialen - en een lange levensduur. Deze resultaten zullen leiden tot de ontwikkeling van hogere capaciteit, anodematerialen met een langere levensduur voor oplaadbare Li-ion-batterijen.

Momenteel, op koolstof gebaseerde materialen worden gebruikt als anodes voor oplaadbare Li-ion-batterijen, en hun capaciteiten zijn tot 370 mAh/g. In theorie, hun capaciteiten kunnen met meer dan 10 keer worden verhoogd tot 4, 200mAh/g, op voorwaarde dat zuiver Si als anodemateriaal wordt gebruikt. Echter, pure Si is zeer uitbreidbaar, drie tot vier keer in volume, tijdens het proces waarin Li-ion erin wordt opgenomen. Door deze eigenschap pure siliciumanodematerialen zijn vatbaar voor barsten omdat er tijdens herhaalde laad-ontlaadcycli een grote hoeveelheid spanning op wordt uitgeoefend, en daarom verkort het gebruik van puur Si in bulk als anodemateriaal de levensduur van de batterij aanzienlijk. Bijgevolg, pure Si was tot voor kort niet gebruikt.

De gezamenlijke onderzoeksgroepen vormden eendimensionale germanium (Ge) nanodraden op metalen substraten en creëerden vervolgens nanogestructureerde Si-metaalcomposieten met behulp van de nanodraden als basismateriaallaag. Het gevormde nanogestructureerde materiaal wordt gekenmerkt door talrijke holtes die bestaan ​​in geaggregeerde nanodeeltjes van ongeveer enkele tientallen nanometers tot honderd nanometers. Er zijn ook grotere holtes aanwezig tussen de Si-metaalcomposieten en de Ge-nanostructuren (figuur 1). Een ander kenmerk is dat het materiaal niet alleen uit puur Si bestaat maar ook uit metaalatomen (voornamelijk ijzer) die spontaan vanuit het substraat via de onderliggende Ge-nanostructuren worden aangevoerd en in het groeiende Si-materiaal worden opgenomen, het vormen van silicium-metaalcomposieten.

Gebaseerd op de evaluaties van de ladings-ontladingseigenschappen van gefabriceerde monsters, de onderzoeksgroepen bevestigden dat de capaciteit van het nieuwe anodemateriaal ongeveer het dubbele was van de capaciteit van de huidige anodematerialen, en de levensduur werd ook verlengd in vergelijking met conventionele materialen.

Het nieuwe materiaal is in staat om zowel de capaciteit als de levensduur van oplaadbare Li-ion-batterijanoden te vergroten. De onderzoeksgroepen bereikten deze kenmerken door interne holtes in het materiaal te creëren, die fungeren als bufferruimte om stress te absorberen die wordt gegenereerd door de expansie van zuiver Si, en door de samenstelling van Si en metaalelementen in de op Si gebaseerde nanostructuur te reguleren.