Silicium- en Silicium-Koolstofanodes
Silicium- en silicium-koolstofanodes zijn ontwerpen voor de negatieve elektrode die silicium gebruiken om lithium op te slaan, hetzij als het dominante actieve materiaal, hetzij in combinatie met grafiet of een andere vorm van koolstof.
Belangrijkste vormen
- Siliciumanode: duidt meestal op een negatieve elektrode die rijk is aan silicium of waarin silicium het dominante materiaal is. Dit betekent niet noodzakelijk dat de anode uit zuiver silicium bestaat; de elektrode heeft nog steeds bindmiddelen, geleidende additieven en een stroomcollector nodig.
- Silicium-koolstofanode: combineert silicium of een siliciumverbinding zoals siliciumoxide met grafiet, een koolstofstructuur of een ander koolstofmateriaal. De koolstof ondersteunt de elektrische geleidbaarheid en kan helpen de mechanische gevolgen van de uitzetting van silicium te beheersen.
Waarom silicium wordt gebruikt
Silicium kan per massa-eenheid veel meer lithium opslaan dan grafiet. Dit biedt een route naar een hogere energiedichtheid van de cel, maar de winst op materiaalniveau wordt niet rechtstreeks overgedragen op een complete batterij. De elektrodedikte, porositeit, inactieve materialen, hoeveelheid elektrolyt, ruimte voor uitzetting en de kathode beïnvloeden allemaal het uiteindelijke resultaat. Nature Communications: Production of lithium-ion batteries with silicon-containing anodes
Het belangrijkste compromis
Silicium zet aanzienlijk uit en krimpt weer wanneer lithium erin wordt opgenomen en eruit wordt verwijderd. Herhaalde volumeveranderingen kunnen deeltjes doen barsten, het elektrische contact verbreken en de vaste-elektrolytgrenslaag (SEI) beschadigen. Het opnieuw opbouwen van die laag verbruikt lithium en elektrolyt en draagt zo bij aan capaciteitsverlies. U.S. Department of Energy: Protecting silicon battery electrodes
De combinatie van silicium met grafiet of speciaal ontwikkelde koolstof kan deze problemen verminderen, maar neemt ze niet weg. De aanduiding silicium-koolstof zegt niets over het siliciumgehalte, de deeltjesstructuur, het lithiumverlies tijdens de eerste cyclus, de uitzetting, laadbeperkingen, levensduur in cycli of productieopbrengst. Veel op productie gerichte ontwerpen behouden daarom grafiet als hoofdmateriaal en voegen een gecontroleerde hoeveelheid silicium of siliciumoxide toe.
Zie Cell Chemistry & Components voor een gedetailleerde beschrijving van de wisselwerking tussen elektrode en elektrolyt. Zie Latest Advances in EV Battery Technology voor de volwassenheid van siliciumrijke ontwerpen en actuele batterijprogramma's.
Silicium beschrijft het anodemateriaal, niet de architectuur van het elektrolyt. Het kan worden gebruikt in conventionele Lithium-Ion Battery-cellen of in ontwerpen met een vaste elektrolyt; zie Solid-State Battery.