Höhere Batterieleistung mit schwarzen Gläsern, die auf Mikron-Silizium aufgepfropft werden

Wissenschaftler entwickeln mit Schwarzglas gepfropfte Silizium-Mikropartikel als negatives Elektrodenmaterial zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien

10.08.2022 - Japan

Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde und macht satte 27,7 % der Erdkruste aus. Abgesehen von seiner Fähigkeit, Sandstrände und klare Gläser zu erzeugen, birgt Silizium auch das Potenzial zur Herstellung hocheffizienter Metallionenbatterien.

In einer Welt, in der alternative Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien auf dem Vormarsch sind, besteht die Notwendigkeit, die hervorragende spezifische Energiekapazität von Silizium als Elektrodenmaterial nutzbar zu machen. Die kommerzielle Anwendung von Elektrodenmaterialien auf Siliziumbasis wird häufig durch zwei Hauptgründe behindert: 1) mangelnde mechanische Stabilität aufgrund der unkontrollierten Volumenausdehnung bei der Lithium-Ionen-Verbindung und 2) rascher Energieabfall aufgrund der Bildung einer instabilen Festkörper-Elektroden-Grenzfläche (SEI).

Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler verschiedene fortschrittliche negative Elektroden oder Anodenmaterialien auf Siliziumbasis entwickelt, um die vorgenannten Probleme zu überwinden. Die bekanntesten unter ihnen sind Silizium-Nanomaterialien. Silizium-Nanomaterialien haben jedoch einige Nachteile, wie z. B. eine große Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage, einen schwierigen und teuren Syntheseprozess und vor allem die Gefahr, dass die Batterie schnell austrocknet.

Nun schlägt eine Gruppe von Forschern des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) unter der Leitung von Prof. Noriyoshi Matsumi eine Lösung für diese Probleme vor, die Silizium-Mikronpartikel (SiMP) plagen. In ihrer Studie, die am 18. Juli 2022 im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht wurde, berichtet das Team über einen ganzheitlichen Ansatz zur Synthese neuartiger, hoch belastbarer SiMPs, die aus Schwarzglas (Siliziumoxycarbid) bestehen und auf Silizium als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien gepfropft sind. Zum Forschungsteam gehörten Ravi Nandan, ein Forschungsstipendiat, Noriyuki Takamori, ein Doktorand, Koichi Higashimine, ein technischer Spezialist, und Dr. Rajashekar Badam, ein ehemaliger Senior Lecturer am JAIST.

"Silizium-Nanopartikel bieten zwar eine größere wirksame Oberfläche, haben aber auch Nachteile wie einen erhöhten Elektrolytverbrauch und eine schlechte anfängliche coulombische Effizienz nach einigen Lade- und Entladezyklen. SiMPs sind die am besten geeignete, kostengünstige und leicht verfügbare Alternative, insbesondere in Kombination mit Materialien, die außergewöhnliche strukturelle Eigenschaften aufweisen, wie z. B. Siliziumoxycarbid-Schwarzgläser. Unser Material ist nicht nur sehr leistungsfähig, sondern bietet auch die Möglichkeit der Skalierung", erklärte Prof. Matsumi auf die Frage nach den Gründen für die Studie.

Das Team hat ein Kern-Schale-Material entwickelt, bei dem der Kern aus SiMP besteht, das mit einer Kohlenstoffschicht überzogen ist, und auf das die Siliziumoxycarbid-Schwarzgläser als Schalenschicht aufgepfropft wurden. Die hergestellten Materialien wurden dann in einer anodischen Halbzellenkonfiguration verwendet, um ihre Fähigkeit zur reversiblen Speicherung von Lithium in verschiedenen Potenzialfenstern zu testen. Dieses Screening zeigte, dass das Material eine große Lithiumdiffusionsfähigkeit, einen reduzierten Innenwiderstand und eine allgemeine volumetrische Ausdehnung aufweist. Die überlegenen elektrochemischen Eigenschaften dieses neuen Materials wurden durch die 99,4 %ige Beibehaltung der Energiekapazität auch nach 775 Lade- und Entladezyklen bestätigt. Zusätzlich zu den hervorragenden Energiespeicherfähigkeiten zeigte das Material auch eine große mechanische Stabilität während des gesamten Testverfahrens.

Die Ergebnisse weisen deutlich auf die Überlegenheit der neuen aktiven Anodenmaterialien auf SiMP-Basis hin. Diese Materialien haben in der Tat neue Wege für die Anwendung von Silizium in sekundären Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation eröffnet. Die Hochskalierbarkeit dieses Syntheseverfahrens kann dazu beitragen, die Lücke zwischen Laborforschung und industriellen Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung zu schließen. Dies ist besonders wichtig für die Herstellung kostengünstiger Elektrofahrzeuge, die die Kohlenstoffemissionen deutlich reduzieren können. Prof. Matsumi unterstreicht diese wichtige Anwendung ihrer Studie mit den Worten: "Unsere Methode bietet einen effektiven Weg für die Entwicklung von Hochleistungsanodenmaterialien für energieeffiziente Lithium-Ionen-Batterien, die ein wesentlicher Baustein für die Schaffung einer nachhaltigen und kohlenstoffarmen Zukunft sind."

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.