12.02.2021 - Osaka University

Vom Müll zum Schatz: Silizium-Abfall findet neue Verwendung in Li-Ionen-Batterien

Forscher stellen Elektroden für Li-Ionen-Batterien mit Verbundwerkstoffen aus Si-Spänen und Graphitsheets her und erreichen damit hohe Leistung, reduzierte Kosten und Umweltfreundlichkeit

Li-Ionen-Batterien (LIBs) werden häufig in verschiedenen mobilen Elektronikgeräten eingesetzt. Bedenken hinsichtlich der globalen Erwärmung und des Klimawandels haben in letzter Zeit die Nachfrage nach LIBs in Elektrofahrzeugen gesteigert. Si wurde als aktives Material mit einer hohen theoretischen Kapazität von 3578 mAh/g untersucht, die etwa zehnmal höher ist als die von Graphit (372 mAh/g).

Nun hat ein Forscherteam der Universität Osaka flockiges Si-Nanopulver verwendet, das von ultradünnen Graphitsheets (GS) umhüllt ist, um LIB-Elektroden mit hoher Flächenkapazität und Stromdichte herzustellen.

Im Allgemeinen als Industrieabfall behandelt, fallen weltweit 100.000 Tonnen Si-Späne pro Jahr aus Si-Rohlingen an, die durch Prozesse bei 1000~1800°C aus Siliziumdioxid hergestellt werden. Kühlmittel auf Wasserbasis und Drahtsägen mit festem Schleifkorn ebnen den Weg für die Verwendung von Si-Spänen als anodenaktives Material mit hoher Kapazität bei reduzierten Kosten.

Nano-Kohlenstoffmaterialien wurden auf Si-Elektroden aufgebracht, um die elektrische Leitfähigkeit und Zyklierbarkeit zu verbessern. Viele Strategien zur Bewältigung des großen Volumenwechsels von Si-Elektroden bei relativ hohen Kosten sind demonstriert worden. Allerdings vereinen die Si-Elektroden nicht alle Anforderungen an eine hohe Elektrodenleistung, nämlich reduzierte Kosten, Umweltfreundlichkeit von Materialien und Prozessen sowie Kreislaufwirtschaft.

"In dieser Studie werden Si-/Graphitsheet-Komposite aus Si-Zerspannungen und expandiertem Graphit als aktives Material mit reduziertem Kosten- und Wärmehaushalt verwendet. Si-Nanopulver wird dispergiert und zwischen GS, die aus expandiertem Graphit hergestellt werden, eingewickelt", erklärt Erstautor Jaeyoung Choi. "GS-Brücken werden über Risse gebildet und unterdrücken Rissbildung und Ablösung von Si. Agglomerierte GSs umhüllen Si/GS-Komposite und wirken als stabile Gerüste, die Elektrolytpfade und Pufferräume für Si-Volumenänderungen sichern."

Die Si/GS-Verbundstruktur und die Delithierungsbegrenzung verbessern die Zyklierbarkeit auf bis zu 901 Zyklen bei 1200 mAh/g. Die flächige Delithierungskapazität und die Stromdichte der Si/GS-Elektroden steigen linear auf 4 mAh/cm2 bzw. 5 mA/cm2 mit der Massenbelastung für mehr als 75 Zyklen, während dicke Elektroden mit C-beschichtetem Si, die in C2H4 hergestellt wurden, nicht konkurrenzfähig sind.

"Si-Anodenbatterien mit hoher Kapazität und hoher Stromdichte haben das Potenzial, in Elektrofahrzeugen eingesetzt zu werden. Dieses Potenzial in Kombination mit der zunehmenden Erzeugung von Si-Spänen als Industrieabfall ermöglicht es unserer Arbeit, zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und zur Erreichung der SDGs beizutragen", sagt der korrespondierende Autor Taketoshi Matsumoto.

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