Fra skrald til skat:Siliciumaffald finder ny anvendelse i Li-ion-batterier

Li-ion-batterier (LIB'er) er meget udbredt i mobilelektronik. Bekymringer for global opvarmning og klimaændringer har for nylig sat skub i efterspørgslen efter LIB'er i elektriske køretøjer og udjævning af solceller. Si er blevet undersøgt som et aktivt materiale med en høj teoretisk kapacitet på 3578 mAh/g, hvilket er omkring ti gange højere end for grafit (372 mAh/g).

Nu, et team af forskere ved Osaka University har brugt flageformet Si-nanopulver pakket ind af ultratynde grafitplader (GS'er) til at fremstille LIB-elektroder med høj arealkapacitet og strømtæthed.

Generelt behandlet som industriaffald, Si-spåner genereres med en hastighed på 100, 000 tons om året globalt fra Si-barrer, der er fremstillet af silica gennem processer ved 1000~1800°C. Vandbaserede kølemidler og faste slibende trådsave baner vejen for brugen af ​​Si-spåner som et anodeaktivt materiale med høj kapacitet til en reduceret pris.

Nanokulstofmaterialer er blevet påført Si-elektroder for at forbedre den elektriske ledningsevne og cyklerbarhed. Mange strategier til at håndtere store volumenændringer af Si-elektroder til relativt høje omkostninger er blevet demonstreret. Imidlertid, Si-elektroderne kombinerer ikke alle kravene til høj elektrodeydelse, nemlig reducerede omkostninger, miljøvenlighed af materialer og processer, og cirkulær økonomi.

"I dette studie, Si/grafitpladekompositter fra Si-spåner og ekspanderet grafit anvendes som det aktive materiale med reducerede omkostninger og termisk budget (fig. 1). Si nanopulver er spredt og pakket mellem GS'er fremstillet af ekspanderet grafit (fig. 2), " forklarer førsteforfatter Jaeyoung Choi. "GS-broer dannes på tværs af revner og undertrykker revner og afskalning af Si. Agglomererede GS'er omvikler Si/GS-kompositter, og fungerer som stabile rammer, der sikrer elektrolytveje og bufferrum til Si-volumenændring."

Si/GS-kompositstrukturen og delelithieringsbegrænsningen forbedrer cyklerbarheden op til 901 cyklusser ved 1200 mAh/g. Si/GS-elektrodernes arealdelithiationskapacitet og strømtæthed stiger lineært til 4 mAh/cm ² og 5 mA/cm ² , henholdsvis, med massebelastning i mere end 75 cyklusser (fig. 3), mens tykke elektroder med C-belagt Si fremstillet i C2H4 ikke er konkurrencedygtige.

"Si-anodebatterier med høj kapacitet og høj strømtæthed har potentiale til at blive brugt i elektriske køretøjer. Dette potentiale, kombineret med stigende generering af Si-spåner som industriaffald, vil gøre det muligt for vores arbejde at bidrage til reducerede drivhusgasemissioner og opnåelse af SDG'er, " siger den tilsvarende forfatter Taketoshi Matsumoto.