Chemici van de Universiteit van Alberta hebben een cruciale stap gezet in de richting van het creëren van een nieuwe generatie op silicium gebaseerde lithium-ionbatterijen met 10 keer de laadcapaciteit van huidige cellen.

"We wilden testen hoe verschillende maten silicium nanodeeltjes het breken in deze batterijen kunnen beïnvloeden, " zei Jillian Buriak, een U of A-chemicus en Canada Research Chair in Nanomaterials for Energy.

Silicium is veelbelovend voor het bouwen van batterijen met een veel hogere capaciteit, omdat het overvloedig is en veel meer lithium kan absorberen dan het grafiet dat wordt gebruikt in de huidige lithium-ionbatterijen. Het probleem is dat silicium de neiging heeft te breken en te breken na talloze laad- en ontlaadcycli, omdat het uitzet en samentrekt terwijl het lithiumionen absorbeert en afgeeft.

Bestaand onderzoek toont aan dat het vormen van silicium tot deeltjes op nanoschaal, draden of buizen helpt voorkomen dat het breekt. Wat Buriak, collega U of A-chemicus Jonathan Veinot en hun team wilden weten hoe groot deze structuren moesten zijn om de voordelen van silicium te maximaliseren en de nadelen te minimaliseren.

De onderzoekers onderzochten silicium nanodeeltjes van vier verschillende groottes, gelijkmatig verdeeld in sterk geleidende grafeen-aerogels, gemaakt van koolstof met nanoscopische poriën, om de lage geleidbaarheid van silicium te compenseren. Ze ontdekten dat de kleinste deeltjes - slechts drie miljardste van een meter in diameter - de beste stabiliteit op lange termijn vertoonden na vele laad- en ontlaadcycli.

"Naarmate de deeltjes kleiner worden, we ontdekten dat ze beter in staat zijn om de spanning te beheersen die optreedt als het silicium 'ademt' bij het legeren en delegeren met lithium, bij het fietsen, ’ legde Buriak uit.

Het onderzoek heeft potentiële toepassingen in "alles dat afhankelijk is van energieopslag met behulp van een batterij, " zei Veinot, die de directeur is van het ATUMS-opleidingsprogramma voor afgestudeerden dat het onderzoek gedeeltelijk heeft ondersteund.

"Stel je een auto voor met een batterij van hetzelfde formaat als een Tesla die 10 keer verder kan rijden of je laadt 10 keer minder vaak op, of de batterij is 10 keer lichter."

Veinot zei dat de volgende stappen zijn om een ​​snellere, goedkopere manier om silicium nanodeeltjes te maken om ze toegankelijker te maken voor de industrie en technologieontwikkelaars.

De studie, "Grootte- en oppervlakte-effecten van siliciumnanokristallen in grafeen-aerogel-composietanoden voor lithium-ionbatterijen, " werd gepubliceerd in Chemie van materialen .