Forskere booster siliciumbaserede batterier

(Phys.org)—Forskere ved Rice University har raffineret silicium-baseret lithium-ion teknologi ved bogstaveligt talt at knuse deres tidligere arbejde for at lave en høj kapacitet, langlivet og billigt anodemateriale med seriøst kommercielt potentiale for genopladelige lithiumbatterier.

Holdet ledet af Rice-ingeniør Sibani Lisa Biswal og forsker Madhuri Thakur rapporterede i Natur 's open access journal Videnskabelige rapporter om skabelsen af ​​en siliciumbaseret anode, den negative elektrode på et batteri, der nemt opnår 600 opladnings-afladningscyklusser ved 1, 000 milliampere timer pr. gram (mAh/g). Dette er en væsentlig forbedring i forhold til kapaciteten på 350 mAh/g af nuværende grafitanoder.

Det placerer det helt i verden af ​​næste generations batteriteknologi, der konkurrerer om at sænke omkostningerne og udvide rækkevidden af ​​elektriske køretøjer.

Det nye arbejde af Rice gennem det langvarige Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER) er det næste og største logiske skridt, siden partnerne begyndte at undersøge batterier for fire år siden.

"Vi har tidligere rapporteret om fremstilling af porøse siliciumfilm, " sagde Biswal, en adjunkt i kemi- og biomolekylær teknik. "Vi har søgt at bevæge os væk fra filmgeometrien til noget, der nemt kan overføres til den nuværende batterifremstillingsproces. Madhuri knuste den porøse siliciumfilm for at danne porøse siliciumpartikler, et pulver, der let kan adopteres af batteriproducenter."

Silicium kan indeholde 10 gange flere lithiumioner end den grafit, der almindeligvis bruges i anoder i dag. Men der er et problem:Silicium mere end tredobler sin volumen, når den er fuldstændig lithieret. Når det gentages, denne hævelse og krympning får silicium til hurtigt at nedbrydes.

Mange forskere har arbejdet på strategier for at gøre silicium mere egnet til batteribrug. Forskere hos Rice og andre steder har skabt nanostruktureret silicium med et højt overflade-til-volumen-forhold, hvilket gør det muligt for silicium at rumme en større volumenudvidelse. Biswal, hovedforfatter Thakur og medforfatter Michael Wong, en professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og i kemi, prøvede den modsatte tilgang; de ætsede porer ind i siliciumskiver for at give materialet plads til at udvide sig. Tidligere i år, de havde avanceret til at lave svampelignende siliciumfilm, der viste endnu mere lovende.

Men selv disse film udgjorde et problem for producenterne, sagde Thakur. "De er ikke nemme at håndtere og ville være svære at skalere op." Men ved at knuse svampene til porøse korn, materialet får langt mere overfladeareal til at opsuge lithiumioner.

Biswal holdt to hætteglas op, en med 50 milligram knust silicium, de øvrige 50 milligram porøst siliciumpulver. Forskellen mellem dem var tydelig. "Overfladearealet af vores materiale er 46 kvadratmeter pr. gram, " sagde hun. "Knust silicium er 0,71 kvadratmeter per gram. Så vores partikler har mere end 50 gange overfladearealet, hvilket giver os et større overfladeareal til lithiation, med masser af tomrum til at rumme ekspansion." Det porøse siliciumpulver blandes med et bindemiddel, pyrolyseret polyacrylonitril (PAN), som tilbyder ledende og strukturel støtte.

"Som et pulver, de kan bruges i storstilet rulle-til-rulle forarbejdning af industrien, " sagde Thakur. "Materialet er meget nemt at syntetisere, omkostningseffektiv og giver høj energikapacitet over et stort antal cyklusser."

"Dette arbejde viser, hvor vigtigt og nyttigt det er at være i stand til at kontrollere de indre porer og den ydre størrelse af siliciumpartiklerne, " sagde Wong.

I de seneste eksperimenter, Thakur designede et halvcellebatteri med lithiummetal som modelektrode og fikserede anodens kapacitet til 1, 000 mAh/g. Det var kun omkring en tredjedel af dens teoretiske kapacitet, men tre gange bedre end nuværende batterier. Anoderne varede 600 opladnings-afladningscyklusser ved en C/2-hastighed (to timer at oplade og to timer at aflade). En anden anode fortsætter med at cykle med en C/5-hastighed (fem timers opladning og fem timers afladning) og forventes at forblive på 1, 000 mAh/g i mere end 700 cyklusser.

"Denne succesrige bestræbelse mellem Rice University og Lockheed Martin Mission Systems and Sensors vil give en væsentlig forbedring af batteriteknologien ved udviklingen af ​​denne billige fremstillingsteknik til siliciumanodemateriale, " sagde Steven Sinsabaugh, en Lockheed Martin Fellow, der arbejder med LANCER og en medforfatter af papiret sammen med Lockheed Martin-forskeren Mark Isaacson. "Vi er virkelig begejstrede for dette gennembrud og ser frem til at overføre denne teknologi til det kommercielle marked."

"Det næste skridt vil være at teste dette porøse siliciumpulver som en anode i et fuldt batteri, " sagde Biswal. "Vores foreløbige resultater med koboltoxid som katode virker meget lovende, og der er nye katodematerialer, som vi gerne vil undersøge."