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Winzige Siliziumpartikel könnten Lithium-Ionen-Akkus mit 10-fach höherer Kapazität versorgen
Jan 19, 2019

Winzige Siliziumpartikel könnten Lithium-Ionen-Batterien mit zehnfacher Kapazität versorgen

 

15. Januar 2019 von Katie Willis, University of Alberta

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Die Chemikerin Jillian Buriak (im Bild) und Jonathan Veinot und ihr Team stellten fest, dass Siliziumpartikel in Nanogröße eine Einschränkung des Einsatzes von Silizium in Lithium-Ionen-Batterien überwinden. Die Entdeckung könnte zu einer neuen Generation von Batterien führen, die die zehnfache Kapazität von aktuellen Lithium-Ionen-Batterien haben. Bildnachweis: John Ulan

 

Chemiker der University of Alberta haben einen entscheidenden Schritt unternommen, um eine neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien auf Siliziumbasis mit zehnfacher Ladekapazität von Stromzellen zu schaffen.

"Wir wollten testen, wie unterschiedliche Größen von Silizium- Nanopartikeln das Brechen in diesen Batterien beeinflussen können", sagte Jillian Buriak, Chemikerin der Vereinigten Staaten von Amerika und Kanadas Forschungslehrstuhl für Nanomaterialien für Energie.

 

Silizium ist vielversprechend für den Bau von Batterien mit höherer Kapazität, da es reichlich vorhanden ist und viel mehr Lithium aufnehmen kann als der Graphit, der in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Das Problem ist, dass Silizium nach zahlreichen Lade- und Entladezyklen zum Brechen und Brechen neigt, da es sich bei der Aufnahme und Freisetzung von Lithiumionen ausdehnt und zusammenzieht.

 

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass das Umformen von Silizium in nanoskalige Partikel, Drähte oder Röhren dazu beiträgt, dass es nicht bricht. Buriaks Kollege Jonathan Veinot und sein Team wollten wissen, welche Größe diese Strukturen haben müssen, um die Vorteile von Silizium zu maximieren und gleichzeitig die Nachteile zu minimieren.

 

Die Forscher untersuchten Silizium-Nanopartikel in vier verschiedenen Größen, die gleichmäßig in hochleitfähigen Graphen-Aerogelen aus Kohlenstoff mit nanoskopischen Poren verteilt sind, um die geringe Leitfähigkeit von Silizium zu kompensieren. Sie fanden heraus, dass die kleinsten Teilchen - nur drei Milliardstel Meter Durchmesser - nach vielen Lade- und Entladezyklen die beste Langzeitstabilität aufwiesen.

 

"Wenn die Partikel kleiner werden, können wir feststellen, dass sie besser in der Lage sind, die Dehnung zu bewältigen, die entsteht, wenn das Silizium beim Legieren und Entschlichten mit Lithium " atmet ", wenn es zyklisiert wird", erklärte Buriak.

 

Die Forschung hat potentielle Anwendungen in "allem, was auf Energiespeicherung mit einer Batterie beruht ", sagte Veinot, Direktor des ATUMS-Graduiertenstudententrainingsprogramms, das die Forschung teilweise unterstützte.

 

"Stellen Sie sich ein Auto vor, das die gleiche Batteriegröße wie ein Tesla hat und das 10-mal weiter fahren könnte oder Sie laden 10-mal weniger häufig oder der Akku ist 10-mal leichter."

 

Veinot sagte, die nächsten Schritte seien die Entwicklung einer schnelleren und kostengünstigeren Methode zur Herstellung von Silizium-Nanopartikeln , um sie für Industrie und Technologieentwickler zugänglicher zu machen.

 

Die Studie "Größe und Oberflächeneffekte von Silizium-Nanokristallen in Graphen-Aerogel-Verbundanoden für Lithium-Ionen-Batterien" wurde in Chemistry of Materials veröffentlicht .

 

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Weitere Informationen: Maryam Aghajamali et al. Größe und Oberflächeneffekte von Silizium-Nanokristallen in Graphen-Aerogel-Verbundanoden für Lithium-Ionen-Batterien, Materialchemie (2018). DOI: 10.1021 / acs.chemmater.8b03198