Effektive batterier er nødvendige for en rekke applikasjoner, og etterspørselen etter dem fortsetter å vokse. Derfor er forskning og utvikling av elektrokjemiske energilagringssystemer, inkludert elektromobilitet, blant de viktigste områdene innen materialvitenskap globalt. Fokus er ikke bare på batterienes ladningskapasitet og hastighet, men også på deres holdbarhet, sikkerhet, tilgjengelighet av råmaterialer og CO2-balansen. Kjemiker Dr. Hanyu Huo og Prof. Dr. Jürgen Janek (Justus Liebig Universitet Giessen), fysiker Prof. Dr. Kerstin Volz (Universitetet i Marburg), materialviter Dierk Raabe (Max Planck Institute for jernforskning i Düsseldorf) og materialvitenskapelig teoretiker Prof. Dr. Chandra Veer Singh (Universitetet i Toronto i Canada) sammen med forskningsteamene deres har undersøkt egenskapene til silisiumanoder i batterier med flytende elektrolytt. De har konkludert med at disse anodene har stort potensiale for å forbedre ytelsen til disse batteriene. Resultatene deres angående stabiliteten, kjemomekanikken og aldringen av silisiumelektroder er blitt publisert i tidsskriftet «Nature Materials».
Som en del av forskningen kombinerte forskerteamet ulike eksperimentelle og teoretiske metoder for å kvantitativt vurdere litiumtransport i elektroden, de betydelige volumendringene til silisium under lade- og utladningsprosessene, og reaksjonen med den faste elektrolytten. «Denne omfattende og grundige analysen er et viktig skritt mot mulig bruk av silisium som et elektrodemateriale i batterier med flytende elektrolytt, som for øyeblikket er gjenstand for intensiv internasjonal forskning,» sier Prof. Janek, en av forfatterne av studien.
Batterier med flytende elektrolytt er et avansert konsept for litiumionebatterier, som for øyeblikket bruker organisk flytende elektrolytt. Det ultimate målet er å bruke en fast elektrolytt, som lover enda bedre lagringsegenskaper, lengre levetid og økt sikkerhet. Utviklingen av batterier med flytende elektrolytt har vært gjenstand for intensiv forskning globalt i omtrent et tiår, og teamet fra Giessen, under ledelse av Prof. Jürgen Janek, er en av de ledende akademiske gruppene på dette feltet.
Under batteriladeprosessen absorberes litium av den negative elektroden, også kjent som anoden. «Dette får silisium til å ekspandere på batterianoden med flere hundre prosent, noe som fører til betydelige mekaniske problemer i batterier med flytende elektrolytt,» forklarer Prof. Janek. «I tillegg reagerer foretrukne faste elektrolytter med det lagrede litiumet, noe som også fører til kapasitetstap. Vårt nylig publiserte arbeid vurderer disse aspektene kvantitativt og detaljert for første gang.»
For å utvikle mer effektive batterier med flytende elektrolytt som kan konkurrere med tradisjonelle litiumionebatterier, bør anoden være et materiale med særlig høy lagringskapasitet, ideelt sett litiummetall. Imidlertid medfører dette en risiko for interne kortslutninger under drift, derfor forskes det på silisium som et alternativ med lignende lagringskapasitet. «Våre resultater viser at silisiumanoder har stort potensiale for applikasjon i batterier med flytende elektrolytt, som kan utnyttes gjennom intelligent tilpasning av grensesnittene i batteriet,» sier Prof. Janek. Ytterligere materialekonsepter er nødvendige for å motvirke den kjemiske og kjemomekaniske aldringen av silisiumanoder. Et element i denne utformingen kan være et polymerlag, som allerede er demonstrert av forskerteamet fra Tyskland og Canada.
Prof. Janek og Prof. Volz har samarbeidet tett i flere år innen forskning på nye batterimaterialer. Arbeidet som er blitt publisert, krever bruk av tilleggs teoretiske metoder tilgjengelig ved MPI for jernforskning i avdelingen til Prof. Raabe (kjemomekaniske fasefelt-simuleringer) og på Prof. Singh’s laboratorium ved Universitetet i Toronto (DFT-beregninger).