Erschließung des Potenzials von Siliziumanodenmaterialien für kommerzialisierte Batterien

Sep 02, 2023

31. August 2023

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von JooHyeon Heo, Ulsan National Institute of Science and Technology

In einer in Nature Energy veröffentlichten Übersicht präsentiert Professor Jaephil Cho von der School of Energy and Chemical Engineering der UNIST ein Analyseprotokoll zur Bewertung von Silizium-Kathodenmaterialien, die auf kommerzialisierte Batterien anwendbar sind. Die Studie befasst sich eingehend mit den Eigenschaften und Herausforderungen rund um Siliziumanodenmaterialien, die als Sekundärbatteriekomponenten im Mittelpunkt großer Aufmerksamkeit stehen.

Silizium hat sich aufgrund seiner außergewöhnlichen gravimetrischen Kapazität als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Graphitanoden in Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien erwiesen. Allerdings haben inhärente Probleme wie die starke Volumenausdehnung während des Zyklierens den weit verbreiteten Einsatz von Si-Anoden in der Batterieentwicklung behindert. Während die Labore bei der Bewältigung dieser Probleme enorme Fortschritte gemacht haben, können die meisten in der Industrie verwendeten Si-haltigen Batterien – deren Si-Anoden aus Si-Suboxiden oder Si-C-Verbundwerkstoffen bestehen – nur begrenzte Mengen an Silizium einbauen.

Die umfassende Analyse des Forschungsteams untersucht entscheidende Faktoren, die die praktische Energiedichte siliziumhaltiger Batterien beeinflussen. Es untersucht Phänomene wie Elektrodenschwellung und Abschaltspannung während des Zellbetriebs und berücksichtigt dabei die Kalenderlebensdauer, Sicherheitsbedenken und Kostenauswirkungen – alles wesentliche Aspekte, die sich erheblich auf das praktische Zelldesign auswirken.

Darüber hinaus schlägt das Papier Testprotokolle vor, die darauf abzielen, die Machbarkeit und Lebensfähigkeit neu entwickelter Siliziumanoden zu bewerten. Diese Protokolle bieten wertvolle Einblicke in die Gewährleistung optimaler Leistung, Effizienz, Haltbarkeit und Sicherheit bei der Integration dieser fortschrittlichen Materialien in kommerzielle Batterieanwendungen.

Eine wichtige Erkenntnis des Teams von Professor Cho ist, dass die Reduzierung der Größe von Siliziumpartikeln auf weniger als 5 nm bei gleichzeitiger gleichmäßiger Verteilung in leitfähigen Kohlenstoffpartikeln vielversprechend für die Überwindung bestehender Einschränkungen ist. Zu den jüngsten von Forschern gemeldeten Fortschritten gehörte die Abscheidung von Rohstoffen auf Kohlenstoffverbundpartikeln durch Gasabscheidung – eine Synthesetechnologie, mit der Partikelgrößen auf unter 1 nm reduziert werden können. Dieser innovative Ansatz zeigte anfängliche Wirkungsgrade von über 90 % bei deutlich verbesserten Lebensdauereigenschaften.

„Die Bewertungsmethoden, über die derzeit in Fachzeitschriften für Siliziumanodenmaterialien berichtet wird, sind etwas begrenzt, was es schwierig macht, ihre kommerzielle Machbarkeit zu bestimmen“, erklärte Professor Cho. Das vorgeschlagene Analyseprotokoll zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen und einen umfassenden Rahmen für die Bewertung des praktischen Potenzials dieser Materialien in kommerzialisierten Batterien bereitzustellen.

Dieser von Nature Energy – einer maßgeblichen Zeitschrift auf dem Gebiet der Energie – eingeladene Übersichtsartikel wurde von Professor Jaekyung Sung von der Gyeongsang National University mitverfasst. Diese am 28. August veröffentlichte Veröffentlichung stellt einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Batterietechnologie dar und bringt uns der Entwicklung effizienter und kommerziell realisierbarer Anoden auf Siliziumbasis näher.

Mehr Informationen: Namhyung Kim et al., Probleme, die die Kommerzialisierung von Laborinnovationen für energiedichte Si-haltige Lithium-Ionen-Batterien behindern, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01333-5