Japonští vědci vyvinuli křemíkové mikročástice s naroubovanými černými skly jako negativní elektrodový materiál pro zlepšení výkonu lithium-iontových baterií.
Zatímco jeho hojnost a vysoká gravimetrická kapacita jej činí vhodným pro vysoce účinné kovové iontové baterie. Použití křemíku jako materiálu elektrody je omezené. Konkrétně přijetí křemíkových anod v lithium-iontových bateriích bylo zdrženo jejich mechanickou nestabilitou. Ta vzniká nekontrolovaným objemovým rozpínáním při lithiaci, procesem slučování s lithium-iontovými a následným vytvořením nestabilní pevné elektrody.
V současné době se jako řešení těchto problémů nejčastěji zkoumá nanostrukturovaný křemík, ale přináší to řadu nevýhod. Patří mezi ně výpadek dodávek, obtížný a nákladný proces syntézy a hrozba rychlého vybití baterie. Nicméně přechod od nanostrukturovaného křemíku k jinak nákladově efektivním a uživatelsky přívětivým mikronovým křemíkovým částicím (SiMP) jen zesiluje výše uvedené problémy. Nyní však vědci z Japan Advanced Institute of Science (JAIST) věří, že našli řešení problémů se skly, které trápí SiMP.
Odolný anodový materiál
Tým popsal svá zjištění v Journal of Materials Chemistry A. Uvedli holistický přístup k syntéze nových vysoce odolných SiMP sestávajících z černých skel (oxykarbid křemíku) roubovaného křemíku jako anodového materiálu pro lithium-iontové baterie.
,,Křemíkové nanočástice mohou poskytnout zvýšenou efektivní povrchovou plochu, ale to má své vlastní nevýhody, jako je zvýšená spotřeba elektrolytu a také špatná počáteční coulombická účinnost po několika cyklech nabíjení a vybíjení.“ SiMP jsou nejvhodnější, nízkonákladové a snadno dostupné alternativy, zejména v kombinaci s materiály, které mají výjimečné strukturální vlastnosti, jako jsou černá skla z oxykarbidu křemíku. Náš materiál se stává nejen vysoce výkonný, ale také přispívá k škálovatelným příležitostem,“ řekl prof. Noriyoshi Matsumi.
Tým navrhl materiál typu jádro-skořepina s jádrem tvořeným SiMP, potaženým vrstvou uhlíku. Poté naroubovali černá skla z oxykarbidu křemíku jako plášťovou vrstvu. Připravený materiál se má použít v anodické poločlánkové konfiguraci pro testování jeho schopnosti reverzibilně ukládat lithium pod různými potenciálními okny. Prokázala velkou schopnost difúze lithia, snížený vnitřní odpor a celkovou objemovou expanzi.
Vynikající elektrochemické vlastnosti tohoto nového materiálu se dále potvrdily 99,4% zachováním energetické kapacity i po 775 cyklech nabíjení a vybíjení. Kromě toho materiál také vykazoval velkou mechanickou stabilitu během testovacího procesu, uvedli vědci.
Výzkumníci z JAIST také oznámili úspěšnou integraci křemíkových mikročástic roubovaných černými skly jako negativního elektrodového materiálu v plném článku. A to když jsou spárovány s komerčně dostupnou katodou lithium nikl kobalt a hliníku (NCA).
Zdroj: pv-magazine, Vapol
