Siliciumstrategi viser løfte om batterier

Et team fra forskere fra Rice University og Lockheed Martin har fundet en måde at bruge simpelt silicium til radikalt at øge lithium-ion-batteriers kapacitet.

Sibani Lisa Biswal, en adjunkt i kemisk og biomolekylær teknik, afslørede, hvordan hun kollega Michael Wong, professor i kemisk og biomolekylær teknik og kemi, og Steven Sinsabaugh, en Lockheed Martin -stipendiat, forbedrer siliciums iboende evne til at absorbere lithiumioner.

Deres arbejde blev introduceret i dag på Rice's Buckyball Discovery Conference, del af en årelang fejring af 25-årsdagen for den nobelprisvindende opdagelse af buckminsterfullerene, eller kulstof 60, molekyle. ( PhysOrg.com er en officiel mediesponsor af arrangementet ). Det kan blive en nøglekomponent for elbilbatterier og energilagring med stor kapacitet, de sagde.

"Anoden, eller negativ, siden af ​​nutidens batterier er lavet af grafit, som virker. Det er overalt, "Sagde Wong." Men det er maxet ud. Du kan ikke proppe mere lithium til grafit, end vi allerede har. "

Silicium har den højeste teoretiske kapacitet af ethvert materiale til opbevaring af lithium, men der er en alvorlig ulempe ved brugen. "Det kan suge meget lithium op, omkring 10 gange mere end kulstof, hvilket virker fantastisk, "Sagde Wong." Men efter et par cykler med hævelse og krympning, det kommer til at knække. "

Andre laboratorier har forsøgt at løse problemet med tæpper af silicium nanotråde, der absorberer lithium som en moppe opsuger vand, men Rice -holdet tog en anden tack.

Med Mahduri Thakur, en postdoktoral forsker i Rices afdeling for kemisk og biomolekylær teknik, og Mark Isaacson fra Lockheed Martin, Biswal, Wong og Sinsabaugh fandt ud af, at det at putte porer i mikronstørrelse i overfladen af ​​en siliciumskive giver materialet tilstrækkeligt plads til at ekspandere. Mens almindelige lithium-ion-batterier holder omkring 300 milliampere pr. Gram kulstofbaseret anodemateriale, de bestemte, at det behandlede silicium teoretisk set kunne lagre mere end 10 gange den mængde.

Sinsabaugh beskrev gennembruddet som en af ​​de første frugter af Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER). Han sagde, at projektet begyndte for tre år siden, da han mødte Biswal på Rice og sammenlignede noter. "Hun arbejdede med porøst silicium, og jeg vidste, at silicium -nanostrukturer blev set på efter batterianoder. Vi sætter to og to sammen, " han sagde.

Nanoporer er enklere at oprette end silicium nanotråde, Sagde Biswal. Porerne, en mikron bred og fra 10 til 50 mikron lang, form, når positiv og negativ ladning påføres siderne af en siliciumskive, som derefter bades i et fluoropløsningsmiddel. "Hydrogen- og fluoridatomerne adskiller, "sagde hun." Fluoren angriber den ene side af silicium, danner porerne. De dannes lodret på grund af den positive og negative bias. "

Det behandlede silicium, hun sagde, "ligner schweizisk ost."

Den enkle proces gør den meget fleksibel til fremstilling, hun sagde. "Vi kræver ikke nogle af de vanskelige behandlingstrin, de gør - de høje støvsugere og at skulle vaske nanorørene. Masseætsning er meget enklere at behandle.

"Den anden fordel er, at vi har set temmelig lange levetider. Vores nuværende batterier har 200-250 cyklusser, meget længere end nanotrådsbatterier, "sagde Biswal.

De sagde, at det at sætte porer i silicium kræver en reel balancegang, da mere plads er dedikeret til hullerne, jo mindre materiale er tilgængeligt til opbevaring af lithium. Og hvis silicium ekspanderer til det punkt, hvor porevæggene rører, materialet kunne nedbrydes.

Forskerne er overbeviste om, at billige, rigeligt silicium kombineret med let fremstilling kan hjælpe med at skubbe deres idé ind i mainstream.

"Vi er meget begejstrede for potentialet i dette arbejde, "Sinsabaugh sagde." Dette materiale har potentiale til at øge lithium-ion-batteriers ydeevne betydeligt, som bruges i en lang række kommercielle, militære og rumfartsapplikationer

Biswal og Wong planlægger at studere den mekanisme, hvormed silicium absorberer lithium, og hvordan og hvorfor det nedbrydes. "Vores mål er at udvikle en model af den stamme, som silicium undergår i cykling af lithium, "Sagde Wong." Når vi forstår det, vi har en meget bedre idé om, hvordan vi maksimerer dets potentiale. "