Forskere skaber nye siliciumelektroder, der forbedrer lithium-ion-batterier

Stanford University-forskere har dramatisk forbedret ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier ved at skabe nye elektroder lavet af silicium og ledende polymerhydrogel, et svampet materiale svarende til det, der bruges i kontaktlinser og andre husholdningsprodukter.

Skriver i 4. juni-udgaven af ​​tidsskriftet Naturkommunikation , forskerne beskriver en ny teknik til at producere billige, siliciumbaserede batterier med potentielle anvendelser til en lang række elektriske enheder.

"At udvikle genopladelige lithium-ion-batterier med høj energitæthed og lang levetid er af afgørende betydning for at imødekomme de stadigt stigende behov for energilagring til bærbar elektronik, elektriske køretøjer og andre teknologier, " sagde studie medforfatter Zhenan Bao, professor i kemiteknik ved Stanford.

For at finde en praktisk, billigt materiale, der øger lagerkapaciteten af ​​lithium-ion-batterier, Bao og hendes Stanford-kolleger vendte sig til silicium – en rigelig, miljøvenligt element med lovende elektroniske egenskaber.

"Vi har forsøgt at udvikle siliciumbaserede elektroder til højkapacitets lithium-ion-batterier i flere år, " sagde undersøgelsens medforfatter Yi Cui, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford. "Silicon har 10 gange så stor ladekapacitet som kulstof, det konventionelle materiale, der anvendes i lithium-ion-elektroder. Problemet er, at silicium udvider sig og går i stykker."

Undersøgelser har vist, at siliciumpartikler kan gennemgå en volumenudvidelse på 400 procent, når de kombineres med lithium. Når batteriet er opladet eller afladet, de oppustede partikler har en tendens til at knække og miste elektrisk kontakt. For at overvinde disse tekniske begrænsninger, Stanford-teamet brugte en fremstillingsteknik kaldet in situ-syntesepolymerisation, der dækker siliciumnanopartiklerne i den ledende hydrogel.

Denne teknik gjorde det muligt for forskerne at skabe et stabilt lithium-ion-batteri, der bibeholdt en høj lagerkapacitet gennem 5, 000 cyklusser med opladning og afladning.

"Vi tilskriver batteriets enestående elektrokemiske stabilitet til den unikke nanoskala-arkitektur af siliciumkompositelektroden, " sagde Bao.

Ved hjælp af et scanningselektronmikroskop, forskerne opdagede, at den porøse hydrogelmatrix er fyldt med tomme rum, der tillader siliciumnanopartiklerne at udvide sig, når lithium indsættes. Denne matrix danner også et tredimensionelt netværk, der skaber en elektronisk ledende vej under op- og afladning.

"Det viser sig, at hydrogel har bindingssteder, der hænger rigtig godt fast på siliciumpartikler og samtidig giver kanaler til hurtig transport af elektroner og lithiumioner, " forklarede Cui, en hovedefterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ved SLAC National Accelerator Laboratory. "Det giver en meget kraftfuld kombination."

En simpel blanding af hydrogel og silicium viste sig langt mindre effektiv end in situ syntesepolymerisationsteknikken. "At lave hydrogelen først og derefter blande den med siliciumpartiklerne virkede ikke godt, " sagde Bao. "Det krævede et ekstra trin, der faktisk reducerede batteriets ydeevne. Med vores teknik, hver siliciumnanopartikel er indkapslet i en ledende polymeroverfladebelægning og er forbundet til hydrogelskelet. Det forbedrer batteriets generelle stabilitet."

Hydrogel består primært af vand, som kan få lithium-ion-batterier til at antænde – et potentielt problem, som forskerholdet skulle tage fat på. "Vi brugte den tredimensionelle netværksegenskab af hydrogelen i elektroden, men i den sidste produktionsfase, vandet blev fjernet, " sagde Bao. "Du vil ikke have vand i et lithium-ion-batteri."

Selvom der stadig er en række tekniske problemer, Cui er optimistisk med hensyn til potentielle kommercielle anvendelser af den nye teknik til at skabe elektroder lavet af silicium og andre materialer.

"Elektrodefremstillingsprocessen, der blev brugt i undersøgelsen, er kompatibel med eksisterende batterifremstillingsteknologi, " sagde han. "Silicon og hydrogel er også billige og bredt tilgængelige. These factors could allow high-performance silicon-composite electrodes to be scaled up for manufacturing the next generation of lithium-ion batteries. It's a very simple approach that's led to a very powerful result."