Rice University och Lockheed Martin har skapat ett poröst kiselpulver som kan leda till robust, kraftfulla litiumjonbatterier. Femtio milligram av det behandlade pulvret i den högra injektionsflaskan har mycket mer ytarea än en identisk vikt av krossat kisel i den vänstra injektionsflaskan. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
(Phys.org) —Forskare vid Rice University har förfinat kiselbaserad litiumjonteknik genom att bokstavligen krossa sitt tidigare arbete för att göra en hög kapacitet, långlivat och billigt anodmaterial med stor kommersiell potential för laddningsbara litiumbatterier.
Teamet som leds av risingenjören Sibani Lisa Biswal och forskaren Madhuri Thakur rapporterade i Natur är open access journal Vetenskapliga rapporter om skapandet av en kiselbaserad anod, batteriets negativa elektrod, som enkelt uppnår 600 laddningsurladdningscykler vid 1, 000 milliampere per gram (mAh/g). Detta är en betydande förbättring jämfört med 350 mAh/g kapacitet för nuvarande grafitanoder.
Det sätter det helt inom ramen för nästa generations batteriteknik som konkurrerar om att sänka kostnaden och utöka räckvidden för elfordon.
Det nya arbetet av Rice genom det långvariga Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER) är nästa och största logiska steg sedan partnerna började undersöka batterier för fyra år sedan.
"Vi har tidigare rapporterat om att göra porösa kiselfilmer, "sa Biswal, biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik. "Vi har försökt flytta bort från filmgeometrin till något som enkelt kan överföras till den nuvarande batteritillverkningsprocessen. Madhuri krossade den porösa kiselfilmen för att bilda porösa kiselpartiklar, ett pulver som enkelt kan antas av batteritillverkare. "
Ett halvcellsbatteri som innehåller ett poröst kisel som utvecklats vid Rice University har uppnått mer än 600 laddningsurladdningscykler i labbet. Arbetet lovar nästa generations batterier för elfordon. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Kisel kan hålla 10 gånger fler litiumjoner än den grafit som vanligen används i anoder idag. Men det finns ett problem:kisel mer än tredubblar sin volym när den är helt litierad. Vid upprepning, denna svullnad och krympning gör att kisel snabbt bryts ner.
Många forskare har arbetat med strategier för att göra kisel mer lämpligt för batterianvändning. Forskare på Rice och på andra håll har skapat nanostrukturerat kisel med ett högt förhållande mellan yta och volym, vilket gör att kislet rymmer en större volymutvidgning. Biswal, huvudförfattare Thakur och medförfattare Michael Wong, professor i kemisk och biomolekylär teknik och kemi, försökte det motsatta tillvägagångssättet; de etsade porerna i kiselskivor för att ge materialet utrymme att expandera. Tidigare i år, de hade avancerat till att göra svampliknande kiselfilmer som visade ännu mer löfte.
Poröst kiselpulver blandat med pyrolyserat polyakrylnitril är grunden för en robust anod för litiumjonbatterier. Anoder som utvecklats med pulvret vid Rice University har uppnått mer än 600 laddningsurladdningscykler i labbet. Upphovsman:Madhuri Thakur/Rice University
Men även dessa filmer utgjorde ett problem för tillverkare, Sa Thakur. "De är inte lätta att hantera och skulle vara svåra att skala upp." Men genom att krossa svamparna till porösa korn, materialet får mycket mer yta för att suga upp litiumjoner.
Biswal höll upp två flaskor, en som rymmer 50 milligram krossat kisel, de andra 50 milligramen av poröst kiselpulver. Skillnaden mellan dem var uppenbar. "Ytan på vårt material är 46 kvadratmeter per gram, "sa hon." Krossat kisel är 0,71 kvadratmeter per gram. Så våra partiklar har mer än 50 gånger ytan, vilket ger oss en större yta för litiering, med gott om tomrum för att rymma expansion. "Det porösa kiselpulvret blandas med ett bindemedel, pyrolyserad polyakrylnitril (PAN), som erbjuder ledande och strukturellt stöd.
"Som ett pulver, de kan användas i storskalig roll-to-roll-bearbetning av industrin, "Sa Thakur." Materialet är mycket enkelt att syntetisera, kostnadseffektiv och ger hög energikapacitet under ett stort antal cykler. "
"Detta arbete visar hur viktigt och användbart det är att kunna kontrollera de inre porerna och den yttre storleken på kiselpartiklarna, "Sa Wong.
I de senaste experimenten har Thakur konstruerade ett halvcellsbatteri med litiummetall som motelektrod och fixerade anodens kapacitet till 1, 000 mAh/g. Det var bara ungefär en tredjedel av dess teoretiska kapacitet, men tre gånger bättre än nuvarande batterier. Anoderna varade 600 laddnings-urladdningscykler med C/2-hastighet (två timmar att ladda och två timmar för urladdning). En annan anod fortsätter att cykla med C/5-hastighet (fem timmars laddning och fem timmars urladdning) och förväntas förbli vid 1, 000 mAh/g i mer än 700 cykler.
"Denna framgångsrika strävan mellan Rice University och Lockheed Martin Mission Systems and Sensors kommer att ge en betydande förbättring av batteritekniken genom utvecklingen av denna billiga tillverkningsteknik för kiselanodmaterial, "sa Steven Sinsabaugh, en Lockheed Martin-stipendiat som arbetar med LANCER och en medförfattare av tidningen tillsammans med Lockheed Martin-forskaren Mark Isaacson. "Vi är verkligen glada över detta genombrott och ser fram emot att överföra denna teknik till den kommersiella marknaden."
"Nästa steg blir att testa detta porösa kiselpulver som en anod i ett fullt batteri, "Sa Biswal." Våra preliminära resultat med koboltoxid som katod verkar mycket lovande, och det finns nya katodmaterial som vi skulle vilja undersöka. "
