Små siliciumpartikler kunne drive lithium-ion-batterier med 10 gange større kapacitet

Kemikere fra University of Alberta har taget et kritisk skridt mod at skabe en ny generation af siliciumbaserede litiumionbatterier med 10 gange opladningskapaciteten af ​​nuværende celler.

"Vi ønskede at teste, hvordan forskellige størrelser af siliciumnanopartikler kunne påvirke frakturering inde i disse batterier, " sagde Jillian Buriak, en U of A chemist og Canada Research Chair i nanomaterialer til energi.

Silicium viser løfte om at bygge batterier med meget højere kapacitet, fordi det er rigeligt og kan absorbere meget mere lithium end den grafit, der bruges i nuværende lithium-ion-batterier. Problemet er, at silicium er tilbøjelig til at gå i stykker og gå i stykker efter adskillige opladnings- og afladningscyklusser, fordi det udvider sig og trækker sig sammen, når det absorberer og frigiver lithiumioner.

Eksisterende forskning viser, at formning af silicium til partikler i nanoskala, ledninger eller rør hjælper med at forhindre, at den går i stykker. Hvilken Buriak, kollega U of A kemiker Jonathan Veinot og deres team ønskede at vide, hvilken størrelse disse strukturer skulle have for at maksimere fordelene ved silicium og samtidig minimere ulemperne.

Forskerne undersøgte siliciumnanopartikler i fire forskellige størrelser, jævnt fordelt i stærkt ledende grafen-aerogeler, lavet af kulstof med nanoskopiske porer, for at kompensere for siliciums lave ledningsevne. De fandt ud af, at de mindste partikler - kun tre milliardtedele meter i diameter - viste den bedste langtidsstabilitet efter mange opladnings- og afladningscyklusser.

"Når partiklerne bliver mindre, vi fandt ud af, at de er bedre i stand til at styre den belastning, der opstår, når silicium 'ånder' ved legering og håndtering af lithium, ved cykling, "forklarede Buriak.

Forskningen har potentielle anvendelser i "alt, der er afhængig af energilagring ved hjælp af et batteri, " sagde Veinot, der er direktør for ATUMS kandidatstuderendes uddannelsesprogram, der delvist understøttede forskningen.

"Forestil dig en bil med samme størrelse batteri som en Tesla, der kunne køre 10 gange længere, eller du oplader 10 gange sjældnere, eller batteriet er 10 gange lettere."

Veinot sagde, at de næste skridt er at udvikle en hurtigere, billigere måde at oprette silicium -nanopartikler for at gøre dem mere tilgængelige for industri- og teknologiudviklere.

Studiet, "Størrelse og overfladeeffekter af siliciumnanokrystaller i grafenaerogel-kompositanoder til lithium-ion-batterier, "blev offentliggjort i Kemi af materialer .