Naarmate de wereld verschuift naar hernieuwbare energie, maar tegelijkertijd vertrouwt op steeds grotere energieverslindende apparaten is er een snelgroeiende behoefte aan grotere batterijen met hoge prestaties. Lithium ion batterijen zitten in de meeste van onze draagbare elektronica, maar ze zijn ontvlambaar en kunnen zelfs exploderen, net als bij een recent model van een smartphone. Om dergelijke ongevallen te voorkomen, is de huidige oplossing de anode in te kapselen, waarbij de negatieve (-) elektrode van de batterij tegenover de kathode (+) in een grafietframe zit waardoor de lithium ionen worden geïsoleerd. Een dergelijke behuizing is echter beperkt tot een kleine schaal om fysieke ineenstorting te vermijden, waardoor de capaciteit van de batterij beperkt wordt.
Op zoek naar betere materialen biedt silicium grote voordelen ten opzichte van koolstofgrafiet voor lithiumbatterijen in termen van capaciteit. Zes koolstofatomen zijn verplicht een enkel atoom van lithium te binden, maar een atoom van silicium kan tegelijkertijd vier atomen lithium binden, waardoor de batterijcapaciteit met meer dan 10 keer vermenigvuldigd wordt. Door die hoeveelheid lithium ionen te kunnen vastleggen, betekent het dat het volume van de anode met 300% naar 400% groeit wat leidt tot kwetsbaarheid en verlies van structurele integriteit. Om dit probleem te verhelpen, hebben onderzoekers nu in Advanced Science het ontwerp van een anode gebouwd op nanostructureerde lagen silicium om de voordelen van silicium te behouden, terwijl fysieke instorting wordt voorkomen.
“Het doel in de batterijtechnologie is nu om de laadsnelheid en het vermogen te verhogen, hoewel het prima is om je telefoon of laptop over een lange periode op te laden, wacht je liever niet 3 uur bij je elektrische auto op het laadstation.”
En als het gaat om het leveren van energie, wil je dat je auto snel bij een verkeerslicht of een stopbord optrekt, waarbij een hoge spanning en stroom nodig is, in plaats van langzaam te kruipen. Een goed doordacht ontwerp van een siliciumanode kan een oplossing zijn en deze verwachtingen beantwoorden.
Het idee achter de nieuwe anode is het vermogen om de fabricage en de bijbehorende fysieke structuur van de nanodeeltjes nauwkeurig te beheersen. Lagen van ongestructureerde siliciumfilms worden alternatief gedeponeerd met tantalium nanodeeltjes waardoor de silicium in een tantaalframe wordt gebonden.
“We gebruikten een techniek genaamd Cluster Beam Deposition. De benodigde materialen worden direct met grote controle op het oppervlak gedeponeerd. Dit is een zuiver fysieke methode, er zijn geen chemicaliën, katalysatoren of andere bindmiddelen nodig.”
Het resultaat van dit onderzoek is een anode met hogere kracht, maar belemmerde zwelling en uitstekende cyclabiliteit (de hoeveelheid cycli waarin een batterij kan worden opgeladen en ontladen voordat de capaciteit achteruit gaat). Door te kijken naar de nanostructuur van de silicium lagen realiseerden de wetenschappers dat het silicium een goede poreusheid heeft met een korrelachtige structuur waarin lithium ionen op hogere snelheden kunnen bewegen in vergelijking met ongestructureerd amorf silicium. Waarmee de toename van het vermogen wordt verklaard. Echter, dit ontwerp is momenteel alleen in het stadium van een concept waarbij de deur wordt geopend voor tal van mogelijkheden om capaciteit te verbeteren, samen met het verhoogde vermogen.
“Het is een zeer open aanpak, er zijn veel parameters waarmee je kunt spelen. We willen bijvoorbeeld de aantallen lagen, hun dikte optimaliseren en tantalium vervangen door andere materialen.”