Samma material som du hittar på spetsen av en penna – grafit – har länge varit en nyckelkomponent i dagens litiumjonbatterier. När vårt beroende av dessa batterier ökar, dock, grafitbaserade elektroder ska uppgraderas. För det, forskare tittar på elementet i hjärtat av den digitala revolutionen:kisel.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory har kommit på ett nytt sätt att använda denna lovande men problematiska energilagringsingrediens. Kisel, används i datorchips och många andra produkter, är tilltalande eftersom den kan hålla 10 gånger den elektriska laddningen per gram jämfört med grafit. Problemet är, kisel expanderar kraftigt när det möter litium, och den är för svag för att motstå trycket från elektrodtillverkning.

För att ta itu med dessa problem, ett team ledd av PNNL-forskarna Ji-Guang (Jason) Zhang och Xiaolin Li utvecklade en unik nanostruktur som begränsar kiselets expansion samtidigt som den förstärks med kol. Deras arbete, som nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation , skulle kunna informera om nya elektrodmaterialdesigner för andra typer av batterier och så småningom bidra till att öka energikapaciteten hos litiumjonbatterierna i elbilar, elektroniska apparater, och annan utrustning.

Ta bort nackdelarna med kisel

En ledande och stabil form av kol, grafit lämpar sig väl för att packa in litiumjoner i ett batteris anod när det laddas. Kisel kan ta upp mer litium än grafit, men den tenderar att ballongera omkring 300 procent i volym, vilket gör att anoden går isär. Forskarna skapade en porös form av kisel genom att aggregera små kiselpartiklar till mikrosfärer med cirka 8 mikrometer i diameter - ungefär lika stor som en röd blodkropp.

"Ett fast material som sten, till exempel, kommer att gå sönder om den expanderar för mycket i volym, " sa Zhang. "Det vi skapade är mer svampliknande, där det finns utrymme inuti för att absorbera expansionen."

Elektroden med porös kiselstruktur uppvisar en förändring i tjocklek på mindre än 20 procent samtidigt som den rymmer dubbelt så mycket laddning som en typisk grafitanod, studien fann. Dock, till skillnad från tidigare versioner av poröst kisel, mikrosfärerna uppvisade också extraordinär mekanisk styrka, tack vare kolnanorör som gör att sfärerna liknar garnkulor.

Superstarka mikrosfärer

Forskarna skapade strukturen i flera steg, börja med att belägga kolnanorören med kiseloxid. Nästa, nanorören sattes i en emulsion av olja och vatten. Sedan värmdes de till kokning.

"De belagda kolnanorören kondenserar till sfärer när vattnet avdunstar, " sa Li. "Sedan använde vi aluminium och högre värme för att omvandla kiseloxiden till kisel, följt av nedsänkning i vatten och syra för att avlägsna biprodukter." Det som kommer fram från processen är ett pulver som består av de små kiselpartiklarna på ytan av kolnanorör.

De porösa kiselkulornas styrka testades med hjälp av sonden i ett atomkraftmikroskop. Författarna fann att en av de nanostora garnbollarna "kan ge efter något och förlora viss porositet under mycket hög komprimeringskraft, men den går inte sönder."

Detta lovar gott för kommersialisering, eftersom anodmaterial måste klara hög kompression i rullar under tillverkning. Nästa steg, Zhang sa, är att utveckla mer skalbara och ekonomiska metoder för att tillverka kiselmikrosfärerna så att de en dag kan ta sig in i nästa generation av högpresterande litiumjonbatterier.