Krzem materiałem do konstrukcji magazynów energii?

Dłuższy czas życia ogniw, większy zasięg i szybsze ładowanie – takich rzeczy poszukuje sektor elektromobilności. Oprócz tego pożądane są także rozwiązania umożliwiające miniaturyzacje samych baterii czy elektroniki. Rozwiązaniem tych problemów mogą być akumulatory oparte o krzem. Materiał ten ma ogromny potencjał w zakresie zastąpienia litu, ale nie doczekał się komercjalizacji z uwagi na własności mechaniczne.

Teraz zespół badaczy z Uniwersytetu w Kilonii we współpracy z firmą RENA Technologies GmbH zamierza rozpocząć badania nad akumulatorami z anodami wykonanymi w 100% z krzemu. Firma myśli też o industrializacji i komercjalizacji tego rozwiązania.

Dzięki manipulacji powierzchni krzemowej elektrody na poziomie pojedynczych mikronów, naukowcy są w stanie stworzyć bardzo wydajne ogniwa krzemowe. Otwiera to przed tym materiałem możliwość stania się pełnoprawnym konkurentem litu w sektorze akumulatorów.

Fotowoltaika od Columbus Energy

Teoretycznie krzem jest najlepszym materiałem na anody akumulatorów. Jest on w stanie zmagazynować do 10 razy więcej energii niż grafitowa elektroda w konwencjonalnych ogniwach litowo-jonowych”, mówi dr Sandra Hansen. Nie jest to jednak jedyna zaleta krzemu. Inną jest jego cena. “Krzem jest drugim najpopularniejszym pierwiastkiem na Ziemi. Dzięki temu jest on bardzo tanim zasobem”, mówi Hansen.

Niestety własności mechaniczne nie pozwoliły dotychczas na jego zastosowanie – jest zbyt delikatny. W czasie ładowania i rozładowywania ogniwa jony litu przemieszczają się z anody do katody i z powrotem. Krzemowa elektroda nie wytrzymałaby takiego obciążenia.

W Kilonii krzem badany jest od niemalże 30 lat. Dzięki temu, w połączeniu z doświadczeniem RENA Technologies, naukowcom udało się zbliżyć do skonstruowania w 100% krzemowej anody. Pozwoliłoby to na zmaksymalizowanie pojemności ogniw – obecnie w anodzie jest jedynie 10-15% krzemu.

Współpraca pomiędzy Uniwersytetem w Kilonii i RENA jest bardzo wydajna dzięki dekadom doświadczenia w zakresie badań podstawowych, jak i industrializacji”, wyjaśnia dr Holger H. Kühnlein, wicedyrektor technologiczny RENA. „W ten sposób możemy transferować wyniki badań naukowych do przemysłu i aplikować je tak szybko, jak tylko to możliwe”.

Jeśli chcemy poprawić stabilność tych ogniw, musimy dokładnie zrozumieć, co dzieje się z nimi podczas ładowania”, mówi Hansen. Badaczka odkryła, że krzem jest o wiele bardziej elastyczny, jeżeli jest w formie cienkiego drutu.

Silicon as a new storage material for the batteries of the future

Odkrycie stabilnych drutów z krzemu sprawiło, że naukowcy rozpoczęli korzystanie z krzemu porowatego do produkcji ogniw. Podobnie jak krzemowe nanodruty ma on w swojej strukturze sporo wolnych przestrzeni, co sprawia, że może się rozszerzać bez uszkodzenia. Zespół rozpoczął teraz starania nad produkcją siarkowej katody, która wraz z anodą miałaby pozwolić na konstrukcję rewolucyjnego akumulatora o rekordowej pojemności.

Silicon as a new storage material for the batteries of the future

Hansen chce poprawić stabilność krzemowych anod jeszcze bardziej. Badaczka zaproponowała wprowadzenie specjalnych procedur kontroli jakości krzemowych elektrod na etapie procesu produkcji z substratów krzemowych. W tym celu wykorzystuje ona litografię i trawienie – wytwarzany jest na powierzchni substratu nanoskopowy, płaski dysk o ustalonych własnościach. Następnie wykorzystuje się metody inspekcji wizualnej do oceny jakości powierzchni anody w czasie. Pozwala to ocenić jednorodność procesu produkcji elektrody, który ma istotny wpływ na jakość produkowanych anod.

Obecnie proces ten nadal zajmuje sporo czasu i jest dosyć drogi, jeśli udało by mam się zmodyfikować go do zastosowania do porowatych warstw krzemu, możliwe byłoby jego trawienie w czasie kilku minut”, mówi Hansen. Jednym z celów wspólnego projektu z RENA jest opracowanie nowych metod trawienia, które można by stosować przy produkcji tych ogniw.

źródło: phys.org