Forscher geben Überblick über die jüngsten Fortschritte und Herausforderungen bei siliziumbasierten Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

16.02.2024

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Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass verschiedene chemische Modifikationen (Bindemittel, Verbundwerkstoffe und Elektrolyte) für eine bessere Stabilität sorgen und die elektrochemische Leistung von Si-basierten Anoden in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) verbessern. Bislang wurden verschiedene chemische Wechselwirkungen und strukturelle Veränderungen an Si-basierten Anodenmaterialien erprobt, um die ^Li+-Kinetik, die strukturelle Stabilität und die Kontrolle der Volumenentwicklung während des Delithierungs-/Lithierungsprozesses zu verbessern.

Trotz bedeutender Fortschritte stecken Si- und Si-basierte Elektroden noch in den Kinderschuhen und sind noch weit von einer breiten praktischen Anwendung entfernt. Anoden auf Si-Basis sind mit einigen Schwierigkeiten konfrontiert, darunter eine beträchtliche Volumenvergrößerung, ein geringeres ICE und eine begrenzte Flächenkapazität. Diese Nachteile lassen sich durch Materialentwicklung, Oberflächen-/Grenzflächentechnik und Optimierung von Bindemitteln/Elektrolyten beheben. Ein Forscherteam hat die beträchtlichen Fortschritte bei siliziumbasierten Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien zusammengefasst. Ihre Arbeit wird in Industrial Chemistry & Materials am 28. Dezember 2023 veröffentlicht.

"Die Entwicklung von kostengünstigen und einfach herzustellenden Anodenmaterialien auf Siliziumbasis für Lithium-Ionen-Batterien ist von entscheidender Bedeutung für das Problem der beträchtlichen Volumenausdehnung und der geringeren elektrischen Leitfähigkeit, der uneinheitlichen Reaktionskinetik und des relativ niedrigen ICE", so Jianping Yang, Professor an der Donghua-Universität in China. "In dieser Übersichtsarbeit haben wir die jüngste Entwicklung von Anodenmaterialien auf Siliziumbasis systematisch erörtert und dabei die wesentlichen Bedenken und Herausforderungen in Bezug auf die Wirksamkeit der derzeitigen Strategien sowie die enormen elektrochemischen Ergebnisse bei der Verwendung von Bindemitteln, Verbundwerkstoffen und flüssigen Elektrolyten mit bemerkenswerten erwarteten Ergebnissen als Lösungen vorgestellt. Wir haben auch Perspektiven für Si-basierte Materialien für LIBs aufgezeigt, um das zukünftige Kommerzialisierungspotenzial von Si-basierten Anoden neben den Hauptproblemen aufzuzeigen."

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"Im Falle von Bindemitteln ist der Einfluss des Bindemittels auf das Si-basierte Anodenmaterial unbedeutend. Bei der Entwicklung einer neuen Art von Bindemitteln wird erwartet, dass die Halbzelle auf die Vollzelle von LIBs ausgeweitet wird, um die Auswirkungen angemessen offenzulegen. Da die Vollzellen-LIBs weniger überschüssige Li-Ionen haben, könnte dies eine neue Perspektive sein, um die Leistung der LIBs zu verbessern. Der Syntheseprozess der derzeitigen Bindemittel ist kompliziert, was ihre kommerzielle Nutzung und weitere Verbesserung verhindert. Darüber hinaus sollte das neu entwickelte Bindemittel im Vergleich zu den herkömmlichen Bindemitteln eine hohe Leistung sowohl bei der ICE- als auch bei der reversiblen Kapazität aufweisen. Außerdem sollte das neue Bindemittel nicht nur mit Si-, sondern auch mit graphitbasierten Anodenmaterialien kompatibel sein".

"Hybride Verbundwerkstoffe, bei denen Si mit anderen Materialien dotiert wird, könnten eine praktikable Option sein, die die Leitfähigkeit verbessert, eine ausreichende strukturelle Integrität gewährleistet, die Abgriffsdichte und die Flächenkapazität erhöht und nicht zuletzt die SEI-Bildung stabilisiert. Bei der Herstellung von Hybridkompositen könnten Morphologie, Partikeldimension und Beschichtung berücksichtigt werden, um die Anforderungen zu erfüllen."

"Si-basierte Anodenmaterialien haben in den letzten Jahren unaufhörliche Fortschritte gemacht", erklärt Li Wang, außerordentlicher Professor an der Donghua Universität, China. "Elektrolyte, die im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten flüssigen Elektrolyten sehr vielversprechend sind, um die Ergebnisse der Si-basierten Anode zu verbessern. Neben den neu entwickelten flüssigen Elektrolyten sollten Festkörperelektrolyte geeignete physikalische und elektrochemische Eigenschaften sowie Kosten, Energie, Sicherheit und Nichtbrennbarkeit aufweisen, die für die Untersuchung der Si-basierten Anode von LIBs attraktiv sein könnten. Es ist höchste Zeit, den Sicherheitsmaßnahmen bei neuen Erkenntnissen Priorität einzuräumen", sagte Gazi Farhan Ishraque Toki, der Erstautor dieser Studie.

Es gibt noch viel Spielraum für eine neue Strategie zur Entwicklung von Anodenmaterialien auf Si-Basis. Neben Experimenten gibt es Berechnungssoftware wie COMSOL Multiphysics, ANSYS-Simulation usw. für die theoretische Analyse, die eine nützliche Ergänzung für effektive Si-basierte Anoden in LIBs sein könnte. Anhand von experimentellen Daten können wir viele Optimierungen analysieren, um die richtige Konfiguration von Bindemitteln, Verbundstoffen und Elektrolyten anhand einer Variation ihrer Konfiguration mit experimentellen Ergebnissen zu erhalten.

"In dieser Übersichtsarbeit ist es unser wichtigstes Ziel, den Lesern die neuesten Forschungsfortschritte und Materialdesignstrategien in diesem Bereich zu vermitteln", so Jianping Yang.

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Originalveröffentlichung

Gazi Farhan Ishraque Toki, M. Khalid Hossain, Waheed Ur Rehman, Rana Zafar Abbas Manj, Li Wang, Jianping Yang; "Recent progress and challenges in silicon-based anode materials for lithium-ion batteries"; Industrial Chemistry & Materials, 2024

https://www.chemie.de/news/1182740/forscher-geben-ueberblick-ueber-die-juengsten-fortschritte-und-herausforderungen-bei-siliziumbasierten-anodenmaterialien-fuer-lithium-ionen-batterien.html