Forskare vid universitetet i Östra Finland har utvecklat ett nytt hybridmaterial av mesoporösa kiselmikropartiklar och kolnanorör som kan förbättra kiselns prestanda i litiumjonbatterier. Framsteg inom batteriteknik är avgörande för hållbar utveckling och för att uppnå klimatneutralitet.

Stater och företag världen över letar ivrigt efter ny och hållbar teknik för att uppnå klimatneutralitet i alla samhällssektorer, allt från transport och produktion av förbrukningsvaror till energiproduktion. När grön energi väl producerats, den måste lagras innan den kan användas i bärbara applikationer. I detta steg, batteriteknik spelar en viktig roll för att göra förbrukningen av grön energi till ett livskraftigt alternativ.

I framtiden, kisel kommer gradvis att ersätta kol som anodmaterial i Li-ion-batterier (LIB). Denna utveckling drivs av det faktum att kiselns kapacitet är tio gånger högre än grafitkapaciteten, som numera används som anodmaterial i LIB. Genom att använda kisel i anoden kan du till och med fördubbla kapaciteten för den totala battericellen. Dock, kisel står inför allvarliga utmaningar inom batteriteknik på grund av dess instabila materialegenskaper. Dessutom, det finns ingen teknik hittills tillgänglig för att producera genomförbara anoder enbart från kisel.

För att minimera den minskande effekten av höga laddningshastigheter på kiselanodernas kapacitet, forskare från universitetet i Östra Finland har utvecklat ett hybridmaterial av mesoporösa kisel (PSi) mikropartiklar och kolnanorör (CNT). Enligt forskarna, hybridmaterialet måste realiseras genom kemisk konjugering av PSi och CNT med rätt polaritet för att inte hindra diffusion av litiumjoner till kisel. Med rätt typ av konjugering, även materialets elektriska konduktivitet och mekaniska hållbarhet förbättrades. Ytterligare, PSi -mikropartiklarna som användes i hybridmaterialet tillverkades av kornskalsaska för att minimera anodmaterialets koldioxidavtryck och för att stödja dess hållbarhet. Kisel producerades genom en enkel magnesiotermisk reduktionsprocess applicerad på fytoliterna som är amorfa porösa kiseldioxidstrukturer som finns i överflöd i skalaska. Resultaten publicerades i Vetenskapliga rapporter och Materialkemi och fysik .

Nästa, forskarna siktar på att producera en hel kiselanod med en fast elektrolyt för att ta itu med utmaningarna kring LIB:s säkerhet och det instabila fasta elektrolytgränssnittet (SEI).

"LIB -forskningens framsteg är mycket spännande, och vi vill bidra till fältet med vårt kunnande relaterat till mesoporösa strukturer av kisel. Förhoppningsvis, EU kommer att investera mer i grundforskning av batterier för att bana vågen för högpresterande batterier och för att stödja Europas konkurrenskraft på detta område. Färdplanen för batteriet 2030+ skulle vara avgörande för att stödja dessa framsteg, säger professor Vesa-Pekka Lehto från Östra Finlands universitet.