Siliziumanoden bieten hervorragende Speicherkapazitäten für Lithium-Ionen-Batterien, allerdings degradieren sie nach nur wenigen Lade- und Entladezyklen. In diesem Bereich wurde ein riesiger Fortschritt erzielt.
Im Rahmen eines
International research laboratory (IRL) haben Forscher des Laboratoriums für Nanotechnologien und Nanosysteme, der Universität von Sherbrooke, des Nationalen Instituts für wissenschaftliche Forschung und des Labors für Materialwissenschaften und -engineering eine neue Architektur für Siliziumanoden entwickelt.
Nach diesen in der Zeitschrift
Energy Storage Materials veröffentlichten Forschungen speichern sie mindestens dreimal mehr Energie als erwartet und das über zweihundert Zyklen anstatt nur einiger weniger.
Mit steigendem Bedarf an leistungsfähigen Batterien für tragbare elektronische Geräte, das Internet der Dinge und Elektroautos wächst die Nachfrage nach Batterien mit hoher Energiedichte. Die am weitesten entwickelte Technologie, die Lithium-Ionen-Batterie, basiert auf Graphitanoden, deren Leistung jedoch nicht mehr ausreicht, um den Bedarf zu decken. Siliziumanoden bieten hingegen eine zehnmal höhere Energiespeicherung pro Volumen, doch sie schwellen bei der Ladung so sehr an, dass sie die Batterie nach nur wenigen Zyklen beschädigen.
Dank einer soliden französisch-kanadischen Zusammenarbeit haben Forscher des Laboratoriums für Nanotechnologien und Nanosysteme (
LN2, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Univ. Grenoble Alpes/Univ. Sherbrooke), der
Universität von Sherbrooke (Kanada), des Nationalen Instituts für wissenschaftliche Forschung (
INRS, Kanada) und des Labors für Materialwissenschaften und -engineering (
MatéiS, CNRS/INSA Lyon/Univ. Claude Bernard) eine neue Architektur von Siliziumanoden entwickelt, die den aktuellen Stand der Technik in Sachen Speicherung erreicht, ohne sich während mindestens zweihundert Lade- und Entladezyklen zu beschädigen.
Die Forscher haben das Problem der Ausdehnung mit porösem Silizium gelöst. Die Volumenänderung während der Ladung erfolgt nun nach innen, indem die Porengröße verringert wird, statt das gesamte Material aufzublähen. Diese Struktur führt jedoch zu einer irreversiblen Anhäufung von Lithium in den Poren, was die Leistung der Batterie beeinträchtigt. Die Forscher haben dann eine Wärmebehandlung angewendet, die eine winzige Oberflächenschicht aus massivem Silizium bildet, was die Kontaktfläche mit dem Elektrolyten reduziert.
Detail einer Siliziumanode mit der porösen Schicht (P-Si) und der massiven Schicht (Bulk).
© Sofiane Abdelouhab et al.
Diese Architektur bietet zudem ungewöhnliche mechanische Eigenschaften, die allerdings noch nicht vollständig verstanden sind. Diese Sandwich-Struktur bietet Speicherkapazitäten von 9 mAh.cm
-2 über mehr als zweihundert Zyklen, was dreimal mehr ist als der von Industrieexperten als interessant angesehene Schwellenwert. Bei einer begrenzten Anzahl von Zyklen erreichen diese Anoden sogar bis zu 20 mAh.cm
-2, und das alles mit kostengünstigen Methoden, die mit klassischen Verfahren der Mikroelektronik kompatibel sind.
Dieses Verfahren wurde patentiert, und das Team erforscht nun, wie diese Anoden mit festen Elektrolyten betrieben werden können, die sicherer sind als die flüssigen Pendants.
Referenzen:
High-areal capacity Si architecture as an on-chip anode for lithium-ion batteries.
Sofiane Abdelouhab, Graniel Harne A. Abrenica, Alexandre Heitz, Sylvain Meille, Lionel Roué, Abderraouf Boucherif, Denis Machon.
Energy Storage Materials, Band 65, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103172
Quelle: CNRS INSIS