Silicium- og silicium-kulstofanoder
Siliciumanoder og silicium-kulstofanoder er udformninger af negative elektroder, der bruger silicium til at lagre litium, enten som det dominerende aktive materiale eller sammen med grafit eller en anden form for kulstof.
Hovedtyper
- Siliciumanode: betyder normalt en negativ elektrode med et højt indhold af silicium eller med silicium som det dominerende materiale. Det betyder ikke nødvendigvis rent silicium; elektroden kræver stadig bindemidler, ledende tilsætningsstoffer og en strømkollektor.
- Silicium-kulstofanode: kombinerer silicium eller et siliciumderivat såsom siliciumoxid med grafit, et kulstofskelet eller et andet kulstofmateriale. Kulstoffet understøtter den elektriske ledningsevne og kan hjælpe med at håndtere de mekaniske følger af siliciums udvidelse.
Hvorfor silicium anvendes
Silicium kan lagre langt mere litium pr. masseenhed end grafit. Det åbner mulighed for en højere energitæthed på celleniveau, men gevinsten på materialeniveau overføres ikke direkte til et komplet batteri. Elektrodetykkelse, porøsitet, inaktive materialer, elektrolytmængde, plads til opsvulmning og katoden påvirker alle det endelige resultat. Nature Communications: Production of lithium-ion batteries with silicon-containing anodes
Det vigtigste kompromis
Silicium udvider sig og trækker sig markant sammen, når litium bevæger sig ind og ud af materialet. Gentagne volumenændringer kan få partikler til at revne, bryde den elektriske kontakt og beskadige grænselaget mod den faste elektrolyt (SEI). Når dette lag gendannes, forbruges litium og elektrolyt, hvilket bidrager til kapacitetstab. U.S. Department of Energy: Protecting silicon battery electrodes
Kombinationen af silicium med grafit eller specialudviklet kulstof kan mindske disse problemer, men fjerner dem ikke. Betegnelsen silicium-kulstof oplyser ikke siliciumandelen, partikelstrukturen, litiumtabet i den første cyklus, opsvulmningen, ladegrænserne, cykluslevetiden eller produktionsudbyttet. Mange produktionsorienterede konstruktioner beholder derfor grafit som hovedmateriale og tilsætter en kontrolleret mængde silicium eller siliciumoxid.
Se Cell Chemistry & Components for en detaljeret gennemgang af samspillet mellem elektroder og elektrolyt. Se Latest Advances in EV Battery Technology for at læse om modenheden af siliciumrige konstruktioner og aktuelle batteriprogrammer.
Silicium beskriver anodematerialet, ikke elektrolytarkitekturen. Det kan bruges i konventionelle Lithium-Ion Battery-celler eller i konstruktioner med en fast elektrolyt; se Solid-State Battery.