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.

Lithium-ion batteries (LIB) are widely used in various mobile electronic devices. Concerns over global warming and climate change have recently increased the demand for LIBs for electric vehicles and smoothing solar photovoltaic power. Silicon (Si) has been studied as an active material due to its high theoretical capacity — 3578 mAh/g, which is about ten times higher than graphite (372 mAh/g).

Recently, a team of researchers from Osaka University used silicon nanopowder in the form of flakes wrapped in ultrathin graphite sheets (GS) to make high-capacity LIB electrodes in terms of area and current density.

Silicon chips, which are considered industrial waste, are typically produced at a rate of 100,000 tons per year globally. They come from silica, which is processed into silicon ingots at temperatures of 1000–1800 °C. Water-based coolants and wire saws with fixed abrasive grains can help use silicon chips as an anode-active material with high capacity at a reduced cost.

Nanocarbon materials were applied to silicon electrodes to improve electrical conductivity and cyclability. Many strategies have already been demonstrated for working with large volume changes of silicon electrodes, but they are often associated with high costs. However, silicon-based electrodes do not meet all the performance requirements, such as cost reduction, material and process sustainability, and a circular economy.

"In this study, the Si/graphite sheet composite made from Si chips and expanded graphite utilizes reduced costs and thermal budgets. The Si nanopowder disperses and wraps between GS made from expanded graphite," explains the first author, Jaeyoung Choi. "GS bridges form through cracks and suppress cracking and delamination of Si. Agglomerated GS wraps the Si/GS composites and acts as stable scaffolds that protect electrolyte pathways and provide buffer spaces for the volume change of Si."

The Si/GS composite structure and delamination constraints improve cyclicity to 901 cycles at 1200 mAh/g. The delamination capability area and current density of Si/GS electrodes linearly increase to 4 mAh/cm² and 5 mA/cm², respectively, under mass loading over more than 75 cycles, while thick C-coated Si electrodes made from C₂H₄ are not competitive.

"High-capacity silicon anode batteries with high current density have the potential to be used in electric vehicles. This potential, combined with the increasing formation of silicon chips as industrial waste, will allow our work to contribute to reducing greenhouse gas emissions and achieving the SDGs," says corresponding author Taketoshi Matsumoto.

Литий-ионные аккумуляторы (LIB) широко используются в различных мобильных электронных устройствах. Беспокойство о глобальном потеплении и изменении климата недавно увеличило спрос на LIB для электромобилей и сглаживания солнечной фотоэлектрической мощности. Кремний (Si) был исследован как активный материал благодаря своей высокой теоретической емкости — 3578 мА·ч/г, что примерно в десять раз больше, чем у графита (372 мА·ч/г).

Недавно команда исследователей из Университета Осаки использовала нанопорошок кремния в виде пластинок, обернутых ультратонкими графитовыми слоями (GS), для изготовления электродов LIB с высокой емкостью по площади и плотности тока.

Обычно кремниевые стружки, которые считаются промышленными отходами, образуются с темпом 100 000 тонн в год по всему миру. Они происходят из кремнезема, который перерабатывается в слитки кремния при температурах 1000–1800 °C. Охлаждающие жидкости на водной основе и проволочные пилы с фиксированным абразивным зерном могут помочь использовать кремниевые стружки как анодно-активный материал с высокой емкостью по сниженной цене.

Наноуглеродные материалы были применены к кремниевым электродам для улучшения электропроводности и способности к циклизации. Множество стратегий уже были продемонстрированы для работы с большими изменениями объема кремниевых электродов, но они часто связаны с высокими затратами. Однако кремниевые электроды не объединяют все требования для высокой производительности, такие как снижение стоимости, экологичность материалов и процессов, а также циклическая экономика.

"В этом исследовании Si/графитовый листовой композит из стружки Si и расширенного графита использует сниженные затраты и тепловой бюджет. Нанопорошок Si диспергируется и обворачивается между GS, изготовленными из вспученного графита", — объясняет первый автор Jaeyoung Choi. "Мостики GS образуются через трещины и подавляют растрескивание и отслаивание Si. Агломерированные GS обворачивают композиты Si/GS и работают как стабильные каркасные структуры, которые защищают пути электролита и обеспечивают буферные пространства для изменения объема Si."

Композитная структура Si/GS и ограничение делитации улучшают цикличность до 901 цикла при 1200 мА·ч/г. Площадь делитационной способности и плотность тока электродов Si/GS линейно растут до 4 мА·ч/см² и 5 мА/см² соответственно при массовой нагрузке в течение более чем 75 циклов, в то время как толстые электроды с C-покрытием Si, изготовленные из C₂H₄, не являются конкурентоспособными.

"Кремниевые анодные батареи с высокой емкостью и высокой плотностью тока имеют потенциал для использования в электрических транспортных средствах. Этот потенциал, в сочетании с увеличением образования кремниевых стружек как промышленного отхода, позволит нашей работе способствовать снижению выбросов парниковых газов и достижению ЦСР", — говорит автор-корреспондент Такетоши Мацуомото.