Es wurde ein Weg gefunden, die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien um das Zehnfache zu erhöhen

Weltweit suchen Dutzende von Forschungsgruppen nach Optionen, um die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien signifikant zu erhöhen. Die Einführung von Silizium in die Struktur wird als vielversprechende Richtung angesehen, aber seine Zerbrechlichkeit, Zerbrechlichkeit der darauf basierenden Verbindungen und andere Probleme ließen dies lange Zeit nicht zu.

Es sieht jedoch so aus, als hätten Wissenschaftler in Japan eine Lösung für das Siliziumproblem gefunden. Sie entwickelten ein neues Design der Anode aus Siliziumbögen in Nanogröße, die die erforderliche Festigkeit und Haltbarkeit verleihen.

Moderne Lithium-Ionen-Batterien und ihre Nachteile

Zunächst nur ein paar Worte zur Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien. Wie Sie wissen, besteht eine Batterie aus einem Elektrodenpaar (Kathode und Anode) und einer Elektrolytlösung. Die Hauptaufgabe des Elektrolyten ist also die Übertragung von Lithiumionen zwischen der Kathode und der Anode, die nur aus Graphit besteht.

Während des Ladens der Batterie bewegen sich Lithiumionen entlang des Kathoden-Lösungs-Anoden-Pfades. Beim Entladen erfolgt die Bewegung der Ionen in die entgegengesetzte Richtung.

Dieses Design hat sich bewährt und funktioniert seit mehr als einem Dutzend Jahren. Der Hauptnachteil dieses gesamten debuggten Designs liegt jedoch in der Tatsache, dass sechs Kohlenstoffatome gleichzeitig in der Graphitanode verwendet werden müssen, um ein Lithiumion zu speichern. Aus diesem Grund haben diese Batterien eine geringe Energiedichte.

Silizium und seine Anwendungen

Wenn wir jedoch ein solches Material wie Silizium betrachten, kann eines seiner Atome gleichzeitig an vier Lithiumionen binden, was zu einer fast 10-fachen Erhöhung der Energiedichte führt. Alles scheint in Ordnung zu sein, aber Wissenschaftler konnten Silizium immer noch nicht stabilisieren.

Da es zu erheblichen Ausdehnungen neigt (bis zu 400% des ursprünglichen Volumens), Kontraktionen und Während des Batteriebetriebs brachen alle diese Verformungseffekte und zerstörten die Siliziumanoden schnell genug.

Ein Forschungsteam des Okinawa Institute of Graduate Technology and Technology (OSIT) hat eine Lösung für das Problem der Stabilisierung der Siliziumanode vorgeschlagen. Die Ingenieure führten eine ganze Reihe von Experimenten mit Siliziumschichten unterschiedlicher Dicke auf der Suche nach einem goldenen Mittelwert durch, bei denen die Bedingungen einer hohen Energiedichte und Batteriestabilität erfüllt werden.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass mit zunehmender Siliziumschicht zuerst die Steifheit zunimmt und ab einem bestimmten Punkt eine starke Abnahme. Es wurde beschlossen, den Grund für diesen Übergang genauer zu untersuchen, und dies konnten Wissenschaftler feststellen.

Es stellte sich heraus, dass sich beim Abscheiden von Silizium auf metallischen Nanopartikeln winzige Säulen in Form von umgekehrten Kegeln bilden, die sich nach oben hin verdicken.

Es stellt sich heraus, dass mit der Ablagerung einer zunehmenden Anzahl von Siliziumatomen und dementsprechend dem Wachstum der Säulen diese werden so breit, dass sie sich berühren und so eine gewölbte Struktur eines Nanometers bilden Rahmen.

Eine solche Struktur ist ziemlich stark und wird sogar von Menschen im Bauwesen verwendet. Und es stellt sich heraus, dass die Struktur vor der Bildung dieser Nanobögen eher schwach ist und durch ihr noch größeres Wachstum eine schwammige Struktur mit Löchern entsteht, die nicht so effektiv ist.

Und erst im Moment der Bildung solcher Bögen wird ein Gleichgewicht geschaffen, das es ermöglicht, eine erhöhte Ladekapazität bereitzustellen und einer großen Anzahl von Lade- / Entladezyklen standzuhalten.

Es ist noch nicht bekannt, wann die neuen Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanode in den Handel kommen werden, aber die Tatsache, dass diese Richtung vielversprechend ist, kann bereits in diesem Stadium erkannt werden.

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