Udvikling af silicium-metal kompositmateriale til genopladelige lithium-ion-batterier med høj kapacitet

En forskningsgruppe ledet af Naoki Fukata, en leder af Nanostructured Semiconducting Materials Group ved International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, og en forskergruppe ved Georgia Institute of Technology, OS, udviklede i fællesskab et anodemateriale til lithium (Li) -ion genopladelige batterier ved at danne nanopartikler fremstillet af silicium (Si) -metalkompositter på metalsubstrater. Det resulterende anodemateriale havde høj kapacitet - næsten dobbelt så høj som konventionelle materialer - og en lang cykluslevetid. Disse resultater vil føre til udvikling af højere kapacitet, anodematerialer med længere levetid til genopladelige Li-ion-batterier.

På nuværende tidspunkt, kulstofbaserede materialer bruges som anoder til genopladelige Li-ion-batterier, og deres kapacitet er op til 370 mAh/g. I teorien, deres kapacitet kan øges med mere end 10 gange til 4, 200 mAh/g, forudsat at rent Si bruges som anodemateriale. Imidlertid, ren Si er meget udvidelig, tre til fire gange i volumen, under den proces, hvor Li ion er inkorporeret i det. På grund af denne ejendom, rene siliciumanodematerialer er tilbøjelige til at revne, da der påføres en stor mængde stress under gentagne ladnings-afladningscyklusser, og derfor forkorter brugen af ​​bulk -ren Si som anodemateriale batteriets levetid kraftigt. Følgelig, ren Si havde ikke været brugt op for nylig.

De fælles forskningsgrupper dannede endimensionelle germanium (Ge) nanotråde på metalsubstrater og skabte derefter nanostrukturerede Si-metal-kompositter ved hjælp af nanotråde som et basismaterialelag. Det dannede nanostrukturerede materiale er kendetegnet ved talrige hulrum, der findes inde i aggregerede nanopartikler på omkring flere titalls nanometer til hundrede nanometer. Der er også større hulrum til stede mellem Si-metal-kompositterne og Ge nanostrukturer (fig. 1). En anden egenskab er, at materialet ikke kun består af rent Si, men også metalatomer (hovedsageligt jern), der spontant tilføres fra substratet via de underliggende Ge nanostrukturer og inkorporeres i det voksende Si -materiale, dannelse af silicium-metal-kompositter.

Baseret på evalueringerne af ladningsudladningsegenskaber for fremstillede prøver, forskergrupperne bekræftede, at kapaciteten af ​​det nye anodemateriale var omtrent det dobbelte af de nuværende anodematerialers kapacitet, og dens cykluslevetid blev også forlænget i forhold til konventionelle materialer.

Det nye materiale er i stand til at øge både kapacitet og levetid for genopladelige Li-ion-batterianoder. Forskningsgrupperne opnåede disse egenskaber ved at oprette indre hulrum i materialet, som fungerer som bufferplads til at absorbere stress genereret ved udvidelse af rent Si, og ved at regulere sammensætningen af ​​Si og metalelementer i den Si-baserede nanostruktur.