Cercetători de la Universitatea "William Marsh Rice", au îmbunătăţit tehnologia pe bază de siliciu a bateriilor litiu-ion prin sfărâmarea la propriu a muncii lor anterioare, realizând un material pentru anod de mare capacitate şi cu o durată lungă de viaţă.
Noul produs are un cost de producţie mic şi un potenţial comercial considerabil pentru bateriile cu litiu reîncărcabile.
Echipa condusă de inginera Sibani Lisa Biswal de la Univ. Rice şi cercetătoarea Madhuri Thakur au publicat în revista Scientific Reports, aparţinând Nature, crearea unui anod (electrodul negativ al unei baterii) pe bază de siliciu, care poate atinge cu uşurinţă 600 de cicluri de încărcare-descărcare la 1000 de miliamperi-oră pe gram (mA/g). Aceasta reprezintă o îmbunătăţire considerabilă faţă de capacitatea de curent 350 mAh/g a actualilor anozi de grafit. Acest fapt propulsează tehnologia direct în zona tehnologiilor de ultimă generaţie în materie de baterii, în cursa de a micşora costul şi a extinde autonomia automobilelor electrice.
Noua realizare din cadrul Rice prin iniţiativa de lungă durată Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER), este cel mai mare pas înregistrat de la începutul colaborării în dezvoltarea bateriilor, care a început cu patru ani în urmă.
Universitatea Rice şi compania Lockheed Martin au creat o pudră poroasă de siliciu care ar putea permite dezvoltarea unor baterii litiu-ion mai puternice. Cincizeci de miligrame de pudră tratată din recipientul drept din imagine au mai multă suprafaţă de contact decât o masă identică de siliciu granulat din recipientul din stânga. Credit Jeff Fitlow/Rice University.
"Am realizat în trecut pelicule poroase de siliciu", a declarat Biswal, profesor asistent de inginerie chimică şi biomoleculară. "Am încercat să ne îndepărtăm de structura geometrică spre ceva care poate fi uşor integrat în actualul proces de fabricare a bateriilor. Madhuri a pisat pelicula poroasă de siliciu pentru a forma particule poroase de silicon, o pudră care poate fi adoptată cu uşurinţă de fabricanţii de baterii."
În imagine este reprezentată o jumătate de baterie care încorporează o pudră poroasă de siliciu dezvoltată la Universitatea Rice şi care a atins peste 600 de cicluri de încărcare-descărcare în laborator. Acestă realizare este promiţătoare pentru noua generaţie de baterii pentru vehicule electrice. Credit: Jeff Fitlow/Rice University.
Siliciu poate reţine de zece ori mai mulţi ioni de litiu decât grafitul folosit în mod obişnuit în anozii actuali. Însă există o problemă: Siliciul îşi măreşte de peste trei ori volumul atunci când este complet încărcat cu litiu. Când se repetă, această expandare şi micşorare determină degradarea rapidă a siliciului.
Mulţi cercetători au lucrat la strategii pentru a face siliciul mai potrivit pentru folosirea lui în baterii. Cercetătorii de la Rice şi din alte centre au creat nanostructuri de siliciu cu un raport ridicat de suprafaţă pe volum, ceea ce permite siliciului să suporte o expansiune volumică mai mare. Biswal, prim-autoarea Thakur şi co-autorul Michael Wong, profesor de chimie, inginerie chimică şi biomedicală, au încercat o abordare opusă; ei au integrat pori în granule de siliciu pentru a permite materialului să se expandeze. La începutul acestui an ei au reuşit să creeze pelicule spongioase de siliciu care erau şi mai promiţătoare.
Pudră poroasă de siliciu amestecat cu poliacrilonitril pirolizat, ce reprezintă baza pentru un anod robust de baterii litiu-ion. Anozii dezvoltaţi cu pudră la Universitatea Rice au atins peste 600 de cicluri de încărcare-descărcare în laborator. Credit: Madhuri Thakur/Rice University.
Însă chiar şi acele pelicule creau o problemă pentru producători, a adăugat Thakur. "Ele nu sunt uşor de manipulat şi ar fi dificil de creat la dimensiuni mari." Însă prin zdrobirea peliculelor spongioase în granule poroase, materialul capătă mult mai multă suprafaţă de absorbţie a ionilor de litiu.
Biswal ţinea două recipiente, unul cu 50 de miligrame de siliciu măcinat, celălalt cu 50 de miligrame de pudră poroasă de siliciu. Diferenţa dintre cele două era evidentă. "Suprafaţa de contact a materialului nostru este de 46 de metri pătraţi pe gram", a adăugat ea. "Siliciul măcinat are 0.71 de metri pătraţi pe gram. Deci particulele noastre au mai bine de 50 de ori mai multă suprafaţă de contact, ceea ce ne oferă o suprafaţă mai mare pentru încărcarea cu ioni de litiu, cu destul spaţiu pentru a permite expansiunea." Pudra poroasă de silicon este amestecată cu un liant, poliacrilonitril (PAN) pirolizat, ce oferă sport conductiv şi structural.
"Pudra poate fi folosită în procese de tip roll-to-roll în industrie", a precizat Thakur. "Materialul este foarte simplu de sintetizat, ieftin şi oferă capacitate energetică ridicată pe un număr mare de cicluri."
"Această realizare arată cât de importantă şi utilă este posibilitatea de a controla porii interni şi mărimea exterioară a particulelor de siliciu", a spus Wong.
În experimentele recente, Thakur a proiectat o jumătate de baterie cu litiu pe post de electrod opus şi a stabilit capacitatea anodului la 1000 mAh/g. Era doar aproximativ o treime din capacitatea sa teoretică, însă de trei ori mai ridicată decât cea a bateriilor actuale. Anozii au rezistat la 600 de cicluri de încărcare-descărcare la o rată de C/2 (două ore de încărcare şi două de descărcare). Un alt anod continuă aceste cicluri la o rată de C/5 (cinci ore de încărcare şi cinci de descărcare) şi este de aşteptat să menţină 1000 mAh/g pentru mai bine de 700 de cicluri.
"Acest efort încununat cu succes rezultat din colaborarea Universităţii Rice şi Lockheed Martin Mission Systems and Sensors va permite o îmbunătăţire considerabilă în tehnologia bateriilor prin dezvoltarea acestor tehnici de fabricare ieftină de anozi din siliciu", a apreciat Steven Sinsabaugh, membru al Lockheed Martin ce lucrează în cadrul LANCER şi co-autor al lucrării împreună cu cercetătorul de la Lockheed Martin, Mark Isaacson. "Suntem cu adevărat entuziasmaţi pentru această descoperire şi aşteptăm să vedem tranziţia acestei tehnologii către sfera comercială."
"Următorul pas va fi testarea acestei pudre poroase de siliciu pe post de anod într-o baterie integrală", a explicat Biswal. "Rezultatele noastre preliminare cu oxid de cobalt pe post de catod sunt foarte promiţătoare şi există alte materiale pentru catod pe care am vrea să le încercăm."
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după Researchers boost silicon-based batteries, cu acordul Phys.org.
