Fig. 1 Tillverkning av elektrod med Si-spån/grafitarkkompositer (kredit:Osaka University)
Li-ion-batterier (LIB) används i stor utsträckning inom mobil elektronik. Oron för global uppvärmning och klimatförändringar har nyligen ökat efterfrågan på LIB i elfordon och utjämning av solceller. Si har studerats som ett aktivt material med en hög teoretisk kapacitet på 3578 mAh/g, vilket är cirka tio gånger högre än för grafit (372 mAh/g).
Nu, ett team av forskare vid Osaka University har använt flingformat Si-nanopowder insvept i ultratunna grafitark (GS) för att tillverka LIB-elektroder med hög ytkapacitet och strömtäthet.
Behandlas vanligtvis som industriavfall, Si-spån genereras med en hastighet av 100, 000 ton per år globalt från Si-göt som tillverkas av kiseldioxid genom processer vid 1000~1800°C. Vattenbaserade kylmedel och fasta nötande trådsågar banar väg för användningen av Si-spån som ett anodaktivt material med hög kapacitet till en reducerad kostnad.
Nanokolmaterial har applicerats på Si-elektroder för att förbättra elektrisk ledningsförmåga och cyklerbarhet. Många strategier för att hantera stora volymförändringar av Si-elektroder till relativt höga kostnader har visats. Dock, Si-elektroderna kombinerar inte alla krav på hög elektrodprestanda, nämligen reducerade kostnader, miljövänlighet hos material och processer, och cirkulär ekonomi.
Fig. 2 Transmissionselektronmikroskopbild av Si-spån/grafitarkkompositer (kredit:Ändrad delvis från originalfiguren med CC BY 4.0.)
"I den här studien, Si/grafitplåtkompositer från Si-spån och expanderad grafit används som det aktiva materialet med reducerad kostnad och termisk budget (Fig. 1). Si nanopowder dispergeras och lindas mellan GSs tillverkade av expanderad grafit (Fig. 2), " förklarar första författaren Jaeyoung Choi. "GS-broar bildas över sprickor och undertrycker sprickbildning och avskalning av Si. Agglomererade GS-omslag Si/GS-kompositer, och fungerar som stabila ramverk som säkrar elektrolytvägar och buffertutrymmen för Si-volymförändring."
Si/GS-kompositstrukturen och delithieringsbegränsningen förbättrar cyklerbarheten upp till 901 cykler vid 1200 mAh/g. Ytavskiljningskapaciteten och strömtätheten hos Si/GS-elektroderna ökar linjärt till 4 mAh/cm 2 och 5 mA/cm 2 , respektive, med massbelastning i mer än 75 cykler (fig. 3), medan tjocka elektroder med C-belagd Si tillverkad i C2H4 inte är konkurrenskraftiga.
Fig. 3 Cykelprestanda för tjock elektrod med Si-spån/grafitark (GS)-kompositer och C-belagd Si. C-belagd Si tillverkades i C2H4 vid 1000°C. (kredit:CC BY 4.0.)
"Si-anodbatterier med hög kapacitet och hög strömtäthet har potential att användas i elfordon. Denna potential, i kombination med ökande generering av Si-spån som industriavfall, kommer att tillåta vårt arbete att bidra till minskade utsläpp av växthusgaser och uppnåendet av SDG, " säger motsvarande författare Taketoshi Matsumoto.
