Onderzoekers van de Universiteit van Oost-Finland hebben een nieuw hybride materiaal ontwikkeld van mesoporeuze siliciummicrodeeltjes en koolstofnanobuisjes die de prestaties van silicium in Li-ionbatterijen kunnen verbeteren. Vooruitgang in batterijtechnologie is essentieel voor duurzame ontwikkeling en voor het bereiken van klimaatneutraliteit.

Staten en bedrijven wereldwijd zijn gretig op zoek naar nieuwe en duurzame technologieën om klimaatneutraliteit te bereiken in elke sector van de samenleving, variërend van transport en productie van verbruiksgoederen tot energieproductie. Zodra groene energie is geproduceerd, het moet worden opgeslagen voordat het kan worden gebruikt in draagbare toepassingen. In deze stap, batterijtechnologie speelt een essentiële rol om van het verbruik van groene energie een levensvatbaar alternatief te maken.

In de toekomst, silicium zal geleidelijk koolstof vervangen als het anodemateriaal in Li-ionbatterijen (LIB's). Deze ontwikkeling wordt gedreven door het feit dat de capaciteit van silicium tien keer groter is dan de capaciteit van grafiet, dat tegenwoordig wordt gebruikt als anodemateriaal in LIB's. Het gebruik van silicium in de anode maakt het mogelijk om de capaciteit van de totale batterijcel zelfs te verdubbelen. Echter, silicium staat voor grote uitdagingen in batterijtechnologie vanwege zijn onstabiele materiaaleigenschappen. Bovendien, er is tot nu toe geen technologie beschikbaar om haalbare anodes uitsluitend uit silicium te produceren.

Om het reducerende effect van hoge laadsnelheden op de capaciteit van siliciumanoden te minimaliseren, onderzoekers van de Universiteit van Oost-Finland hebben een hybride materiaal ontwikkeld van mesoporeuze silicium (PSi) microdeeltjes en koolstofnanobuisjes (CNT's). Volgens de onderzoekers is het hybride materiaal moet worden gerealiseerd door chemische conjugatie van PSi en CNT's met de juiste polariteit om de diffusie van lithiumionen in silicium niet te belemmeren. Met het juiste type vervoeging, ook de elektrische geleidbaarheid en mechanische duurzaamheid van het materiaal werd verbeterd. Verder, de PSi-microdeeltjes die in het hybride materiaal worden gebruikt, zijn gemaakt van as van gerstschil om de ecologische voetafdruk van het anodemateriaal te minimaliseren en de duurzaamheid ervan te ondersteunen. Silicium werd geproduceerd door een eenvoudig magnesiotherm reductieproces dat werd toegepast op de fytolieten die amorfe poreuze silicastructuren zijn die in overvloed in schilas worden aangetroffen. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten en Materiaalchemie en natuurkunde .

Volgende, de onderzoekers streven naar de productie van een volledige siliciumanode met een vaste elektrolyt om de uitdagingen aan te pakken die verband houden met de veiligheid van LIB's en de onstabiele vaste elektrolytinterface (SEI).

"De voortgang van het LIB-onderzoek is erg spannend, en we willen een bijdrage leveren aan het veld met onze knowhow met betrekking tot mesoporeuze structuren van silicium. Hopelijk, de EU zal meer investeren in fundamenteel onderzoek naar batterijen om de golf van hoogwaardige batterijen te effenen en het concurrentievermogen van Europa op dit gebied te ondersteunen. De roadmap Battery 2030+ zou essentieel zijn om deze vooruitgang te ondersteunen, ", zegt professor Vesa-Pekka Lehto van de Universiteit van Oost-Finland.