Baterie litowo-jonowe (LIB) są szeroko stosowane w różnych urządzeniach mobilnych. Zaniepokojenie zmianami klimatycznymi i globalnym ociepleniem ostatnio zwiększyło popyt na LIB do pojazdów elektrycznych i wyrównywania mocy fotowoltaicznych z paneli słonecznych. Krzem (Si) był badany jako materiał aktywny dzięki swojej wysokiej teoretycznej pojemności — 3578 mAh/g, co jest około dziesięciokrotnie większe niż w przypadku grafitu (372 mAh/g).
Ostatnio zespół badaczy z Uniwersytetu w Osace użył nanopyłu krzemu w postaci łusek owiniętych ultracienkimi arkuszami grafitu (GS) do produkcji elektrod LIB o wysokiej pojemności pod względem powierzchni i gęstości prądu.
Zwykle wióry krzemowe, które są uznawane za odpady przemysłowe, powstają w tempie 100 000 ton rocznie na całym świecie. Pochodzą one z krzemionki, która jest przetwarzana na krzemowe sztabki w temperaturach 1000–1800 °C. Ciecze chłodzące na bazie wody oraz piły druciane z ustalonym ziarna ściernego mogą pomóc w wykorzystaniu wiórów krzemowych jako materiału anodo-aktywnego o wysokiej pojemności w obniżonej cenie.
Materiały nanowęglowe zostały zastosowane do elektrod krzemowych w celu poprawy przewodności elektrycznej i zdolności do cykliczności. Już wiele strategii zostało zaprezentowanych do pracy z dużymi zmianami objętości elektrod krzemowych, ale często wiążą się one z wysokimi kosztami. Jednak elektrody krzemowe nie spełniają wszystkich wymagań dotyczących wysokiej wydajności, takich jak obniżenie kosztów, ekologiczność materiałów i procesów oraz gospodarka o obiegu zamkniętym.
„W tym badaniu kompozyt Si/arkusz grafitowy z wiórów Si i rozszerzonego grafitu wykorzystuje obniżone koszty i bilans cieplny. Nanopył Si rozprasza się i owija między GS wykonanymi z grafitu spienionego”, wyjaśnia pierwszy autor, Jaeyoung Choi. „Mostki GS tworzą się przez pęknięcia i hamują pękanie i łuszczenie Si. Agregowane GS owija kompozyty Si/GS i działa jak stabilne ramy, które chronią ścieżki elektrolitu i zapewniają przestrzenie buforowe dla zmiany objętości Si.”
Kompozytowa struktura Si/GS oraz ograniczenie delaminacji poprawiają cykliczność do 901 cykli przy 1200 mAh/g. Powierzchnia zdolności delaminacyjnej i gęstość prądu elektrod Si/GS rosną liniowo do 4 mAh/cm² i 5 mA/cm² odpowiednio przy obciążeniu masowym przez ponad 75 cykli, podczas gdy grube elektrody z powłoką C na Si wykonane z C₂H₄ nie są konkurencyjne.
„Baterie anodowe z krzemem o wysokiej pojemności i wysokiej gęstości prądu mają potencjał do zastosowania w pojazdach elektrycznych. Ten potencjał, w połączeniu ze wzrostem produkcji wiórów krzemowych jako odpadów przemysłowych, pozwoli naszej pracy przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych i osiągnięcia Celów Zrównoważonego Rozwoju”, mówi autor korespondencyjny Taketoshi Matsumoto.