17 feb. 1999
2 minuten
Een elektrode-ontwerp dat is gebaseerd op de granaatappel – met silicium nanodeeltjes samengepakt als zaadjes in een stevige koolstof schil – rekent af met enkele obstakels voor het gebruik van silicium in lithium-ion batterijen. Dat is althans de stellige overtuiging van de uitvinders op de Stanford University en het Slac National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Ministerie voor Energie.
"Er blijven nog wel wat uitdagingen over, maar dit ontwerp brengt ons dichter bij het gebruik van siliciium in kleinere, lichtere en sterkere batterijen voor mobiele telefoons, tablets en elektrische auto’s", zegt Yi Cui, associate professor bij Stanford en SLAC en leider van het onderzoek.
"Uit experimenten blijkt dat onze granaatappelanode nog op 97% van zijn capaciteit werkt, na zelfs 1000 laad- en ontlaadcyclussen. Daarmee zitten we ruim binnen de gewenste specificaties voor commercieel grbuik."
Als een batterij wordt geladen. wordt de energie opgeslagen bij de anode. Silicium anodes zouden tien keer zoveel energie kunnen opslaan als de grafiet anodes die tegenwoordig worden toegepast in herlaadbare lithiom-ion batterijen. Maar er zijn ook nadelen: het broze silicium zwelt op en valt uit elkaar tijdens het laden en het reageert met de elektrolyt van de baterrij, waarbij een smurrie ontystaat op de elektrode en de eigenschappen van de batterij verslechteren.
De afgelopen acht jaar hebben Cui en zijn team het afbraakprobleem aangepakt met silicium nanodraden of nanodeeltjes die te klein zijn om te breken in nog kleinere. Daarbij werden de nanodeeltjes ondergebracht in een soort ‘dooiers’ zodat ze ruimte hadden om te zwellen en krimpen.
De nieuwe studie is gebaseerd op dat werk. Student Nian Liu en postdoctoraal onderzoeker Zhenda Lu gebruikten een micro-emulsietechniek die gangbaar is in de olie-, verf- en cosmetica-industrie om de silicium-dooiers onder te brengen in clusters. Daarna bekleedden ze elke cluster met een tweede, dikkere laag koolstof. Deze koolstof schillen houden de granaatappel-clusters bij elkaar en leveren een robuuste snelweg voor elektrische stromen.
Omdat elk granaatappel-cluster slechts een tiende van de oppervlakte heeft van alle individuele deeltjes binnenin, wordt ook een veel kleiner oppervlak blootgesteld aan de elektrolyt. En dat brengt de hoeveelheid gevormde smurrie terug tot een beheersbaar niveau.
Hoewel de clusters te klein zijn om individueel te kunnen zien, vormen zij smane een fijn zwart poeder dat kan worden gebruikt om een stuk folie te coaten en zo een anode te vormen. Uit laboratorumproeven blijkt dat deze anodes goed werken als ze zijn vervaardigd in de dikte die nodig is voor commerciële batterijen.
Volgens Cui moet het team nog twee problemen oplossen om de vinding geschikt te maken voor commercieel gebruik. Ze moeten het proces vereenvoudigen en een goedkopere bron van silicium nanodeeltjes vinden. Dat zou wellicht kunnen met de schilletjes van rijst: die zijn ongeschikt voor menselijke consumptie, worden jaarlijks in miljoenen tonnen geproduceerd en bevatten per gewichtseenheid 20% siliciumdioxide. Volgens Liu kunnen ze relatief gemakkelijk worden omgezet in pure silicium nanodeeltjes.
"Ik vind het heel opwindend om te zien hoe ver we de afgelopen zeven, acht jaar zijn gevorderd", zegt Cui, "en hoe we de problemen een voor een hebben opgelost".
