Silicastrukturer i naturlige sivblade kan udnyttes som elektrodemateriale i lithium-ion-batterier

De distinkte strukturelle og vandafvisende egenskaber ved almindelige siv er blevet brugt af mennesker i evigheder, for eksempel som byggematerialer og til stråtage. Hvordan de mikro- og nanostrukturerede silica-arrangementer, der er rigeligt til stede i naturlige sivblade, kan udnyttes til fremstilling af anodematerialerne i lithium-ion-batterier, er for nylig blevet undersøgt af kinesiske og tyske videnskabsmænd og er offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Nanoporøst silicium menes af mange at være næste generations anodemateriale i lithium-ion-batterier, da det giver fordelen ved en meget højere teoretisk kapacitet og lavere driftsspænding end de almindeligt anvendte grafitiske kulstofmaterialer. Den store udfordring, imidlertid, er ved at finde en passende lavprisstrategi for at anvende et passende nanostruktureret siliciummateriale, der ville kompensere for den store volumenudvidelse ved lithiumindsættelse. En virkelig adskilt tilgang fra de omfattende fysiske eller kemiske behandlinger af dyre siliciumprækursorer er blevet udforsket af Yan Yu og hendes kolleger ved Max Planck Institute for Solid State Research, Kinas Universitet for Videnskab og Teknologi, og South China University of Technology.

Forskerne forestillede sig, at den hierarkiske arkitektur af silica, der allerede er til stede i bladene på almindelige rørplanter, let kan omdannes til den mikro- og nanoporøse siliciumarkitektur, der kræves til lithium-ion-batterimaterialer. "Sivblade udviser veldefinerede arklignende 3D hierarkiske mikrostrukturer, "påpeger de, "som kan transformeres til de 3D meget porøse hierarkiske siliciumarkitekturer ved magnesioterm reduktion." Denne magnesiotermiske reduktion blev også kombineret med et simpelt carbon-coating-trin for til sidst at opnå et anodisk materiale, der udviser høj specifik kapacitet, meget god priskapacitet, og cykelstabilitet, ligesom det kræves i avancerede lithium-ion-batterier.

Det, der er særligt interessant her, er, at den topologiske arkitektur af de originale silikater i sivbladene er ekstraordinært velbevaret under de anvendte kemiske og fysiske behandlingstrin. Efter rensningen fra de tørre sivblade, den tredimensionelle struktur krymper kun, men bevarer sit mesoporøse netværk. Det ændrer sig ikke engang under reduktionen til det endelige carboniserede siliciumnetværk. Denne robusthed i strukturbevarelse gør sivplanter, som vokser som store monokulturer i vådområderne i tempererede områder, især velegnet som ny, bæredygtigt råmateriale til batterimaterialer.