Forbedrer batteriets ydeevne med sorte briller podet på mikron silicium

Silicium er det næstmest udbredte grundstof på jorden, og det udgør hele 27,7 % procent af jordskorpen. Udover sin evne til at skabe sandstrande og klare glas, har silicium også potentialet til at lave højeffektive metalion-batterier.

I en verden, hvor alternative energilagringsenheder som lithium-ion-batterier tager fart, er der behov for at udnytte siliciums fremragende specifikke energikapacitet som et elektrodemateriale. Den kommercielle anvendelse af siliciumbaserede elektrodematerialer hindres ofte på grund af to hovedårsager:1) mangel på mekanisk stabilitet som følge af ukontrolleret volumenudvidelse ved lithiation, processen med at kombinere med en lithium-ion og 2) hurtig energifading forårsaget af dannelsen af ​​ustabil solid-electrode interface (SEI) dannelse.

I årenes løb har forskere udviklet forskellige avancerede siliciumbaserede negative elektroder eller anodematerialer for at overvinde de førnævnte problemer. De mest fremtrædende blandt dem er silicium nanomaterialer. Siliciumnanomaterialer kommer dog med visse ulemper, såsom et stort efterspørgsels- og udbudsgab, vanskelig og dyr synteseproces og, vigtigst af alt, en trussel om hurtig udtørring af batteriet.

Nu foreslår en gruppe forskere fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ledet af prof. Noriyoshi Matsumi en løsning på disse problemer, der plager siliciummikronpartikler (SiMP). I deres undersøgelse offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A den 18. juli 2022 rapporterede holdet om en holistisk tilgang til at syntetisere nye meget elastiske SiMP'er bestående af sorte glas (siliciumoxycarbid) podet silicium som anodemateriale til lithium-ion-batterier. Forskerholdet omfattede Ravi Nandan, en forskningsstipendiat, Noriyuki Takamori, en doktorgradsstuderende, Koichi Higashimine, en teknisk specialist, og Dr. Rajashekar Badam, en tidligere seniorlektor ved JAIST.

"Siliconnanopartikler kan give øget effektivt overfladeareal, men det kommer med sine egne ulemper som øget forbrug af elektrolyt samt dårlig initial coulombisk effektivitet efter et par cyklusser med opladning og afladning. SiMP'er er de mest passende, lave omkostninger og let tilgængelige alternativer, især når de kombineres med materialer, der har exceptionelle strukturelle egenskaber, såsom siliciumoxycarbid sorte glas. Vores materiale er ikke kun højtydende, men også befordrende for skaleringsmuligheder," forklarede prof. Matsumi, da han blev spurgt om rationalet bag undersøgelsen.

Holdet designede et kerne-skal type materiale, hvor kernen var lavet af SiMP belagt i et lag af kulstof, og derefter blev de sorte siliciumoxycarbidglas podet på som skallaget. De forberedte materialer blev derefter brugt i en anodisk halvcellekonfiguration for at teste deres evne til reversibelt at opbevare lithium under forskellige potentielle vinduer. Denne screening viste, at materialet har stor lithiumdiffusionsevne, reduceret indre modstand og samlet volumetrisk udvidelse. De overlegne elektrokemiske egenskaber af dette nye materiale blev yderligere etableret af 99,4% tilbageholdelse af energikapacitet, selv efter 775 cyklusser med opladning og afladning. Ud over de fremragende energilagringsevner udviste materialet også stor mekanisk stabilitet gennem hele testprocessen.

Resultaterne indikerer stærkt overlegenheden af ​​de nye SiMP-baserede aktive anodematerialer. Faktisk har disse materialer åbnet nye veje for anvendelse af silicium i næste generation af sekundære lithium-ion-batterier. Opskaleringsevnen ved denne synteseproces kan bidrage til at bygge bro mellem laboratorieforskning og industrielle anvendelser inden for energilagring. Dette er især vigtigt for at producere billige elbiler, som kan reducere kulstofemissionerne mærkbart. Prof. Matsumi fremhæver denne betydningsfulde anvendelse af deres undersøgelse ved at sige "vores metodologi tilbyder en effektiv mulighed for udvikling af højtydende anodematerialer til energieffektive lithium-ion-batterier, som er en væsentlig byggesten til at skabe en bæredygtig og lav- kulstof i morgen." + Udforsk yderligere

En simpel metode til syntese af nye β-SiC nanopartikel-baserede anodematerialer til lithium-ion-batterier