Kisel är det näst vanligaste grundämnet på jorden och utgör rejäla 27,7 % procent av jordskorpan. Förutom sin förmåga att skapa sandstränder och klara glas, har kisel också potentialen att göra högeffektiva metalljonbatterier.

I en värld där alternativa energilagringsenheter som litiumjonbatterier tar fart, finns det ett behov av att utnyttja den utmärkta specifika energikapaciteten hos kisel som ett elektrodmaterial. Den kommersiella tillämpningen av kiselbaserade elektrodmaterial hindras ofta på grund av två huvudorsaker:1) bristande mekanisk stabilitet till följd av okontrollerad volymexpansion vid litiering, processen att kombinera med en litiumjon, och 2) snabb energiblekning orsakad av bildandet av instabil solid-electrode interface (SEI)-bildning.

Under åren har forskare utvecklat olika avancerade kiselbaserade negativa elektroder eller anodmaterial för att övervinna de ovan nämnda problemen. De mest framträdande bland dem är nanomaterial av kisel. Men nanomaterial av kisel har vissa nackdelar, såsom ett stort efterfråge- och utbudsgap, svår och dyr syntesprocess och, viktigast av allt, ett hot om snabb batteritorkning.

Nu föreslår en grupp forskare från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) under ledning av prof. Noriyoshi Matsumi en lösning på dessa problem som plågar kiselmikronpartiklar (SiMP). I deras studie publicerad i Journal of Materials Chemistry A den 18 juli 2022 rapporterade teamet om ett holistiskt tillvägagångssätt för att syntetisera nya mycket motståndskraftiga SiMPs bestående av svarta glas (silikonoxikarbid) ympat kisel som anodmaterial för litiumjonbatterier. Forskargruppen inkluderade Ravi Nandan, en forskare, Noriyuki Takamori, en doktorand, Koichi Higashimine, en teknisk specialist, och Dr. Rajashekar Badam, en tidigare universitetslektor vid JAIST.

"Kiselnanopartiklar kan ge ökad effektiv yta men det har sina egna nackdelar som ökad förbrukning av elektrolyt samt dålig initial coulombisk effektivitet efter några cykler av laddning och urladdning. SiMPs är de mest lämpliga, billiga och lättillgängliga alternativ, särskilt när de kombineras med material som har exceptionella strukturella egenskaper, som svarta kiseloxikarbidglas. Vårt material är inte bara högpresterande utan bidrar också till skalmöjligheter", förklarade Prof. Matsumi när han fick frågan om logiken bakom studien.

Teamet designade ett material av kärna-skal-typ där kärnan bestod av SiMP belagd i ett lager av kol och sedan ympades de svarta silikonoxikarbidglasen på som skalskikt. De förberedda materialen användes sedan i en anodisk halvcellskonfiguration för att testa deras förmåga att reversibelt lagra litium under olika potentiella fönster. Denna screening visade att materialet har stor litiumdiffusionsförmåga, minskat inre motstånd och total volymetrisk expansion. De överlägsna elektrokemiska egenskaperna hos detta nya material fastställdes ytterligare av 99,4 % bibehållande av energikapacitet även efter 775 cykler av laddning och urladdning. Förutom de överlägsna energilagringsförmågan uppvisade materialet också stor mekanisk stabilitet under hela testprocessen.

Resultaten indikerar starkt överlägsenheten hos de nya SiMP-baserade aktiva anodmaterialen. Dessa material har faktiskt öppnat nya vägar för applicering av kisel i nästa generations sekundära litiumjonbatterier. Uppskalningsförmågan hos denna syntesprocess kan bidra till att överbrygga gapet mellan laboratorieforskning och industriella tillämpningar inom området energilagring. Detta är särskilt viktigt för att producera billiga elfordon, som avsevärt kan minska koldioxidutsläppen. Prof. Matsumi lyfter fram denna betydelsefulla tillämpning av deras studie genom att säga "vår metodik erbjuder en effektiv väg för utveckling av högpresterande anodmaterial för energieffektiva litiumjonbatterier, vilket är en viktig byggsten för att skapa en hållbar och låg- kol imorgon." + Utforska vidare

En enkel metod för syntes av nya β-SiC nanopartikelbaserade anodmaterial för litiumjonbatterier