Kiselanoder och kisel-kolanoder
Kiselanoder och kisel-kolanoder är utformningar av negativa elektroder som använder kisel för att lagra litium, antingen som det dominerande aktiva materialet eller i kombination med grafit eller någon annan form av kol.
Huvudtyper
- Kiselanod: avser vanligtvis en negativ elektrod med hög kiselhalt eller med kisel som dominerande material. Det betyder inte nödvändigtvis rent kisel; elektroden behöver fortfarande bindemedel, ledande tillsatser och en strömkollektor.
- Kisel-kolanod: kombinerar kisel eller ett kiselderivat, exempelvis kiseloxid, med grafit, en kolstruktur eller något annat kolmaterial. Kolet bidrar till den elektriska ledningsförmågan och kan hjälpa till att hantera de mekaniska effekterna av kiselns expansion.
Varför kisel används
Kisel kan lagra mycket mer litium per massenhet än grafit. Det skapar en möjlighet till högre energitäthet på cellnivå, men vinsten på materialnivå överförs inte direkt till ett komplett batteri. Elektrodtjocklek, porositet, inaktiva material, mängden elektrolyt, utrymme för svällning och katoden påverkar alla slutresultatet. Nature Communications: Production of lithium-ion batteries with silicon-containing anodes
Den viktigaste avvägningen
Kisel expanderar och drar ihop sig kraftigt när litium går in i och lämnar materialet. Upprepade volymförändringar kan få partiklar att spricka, bryta elektrisk kontakt och skada det fasta elektrolytgränsskiktet (SEI). När detta skikt återbildas förbrukas litium och elektrolyt, vilket bidrar till kapacitetsförlust. U.S. Department of Energy: Protecting silicon battery electrodes
Att kombinera kisel med grafit eller specialutvecklat kol kan minska problemen, men eliminerar dem inte. Beteckningen kisel-kol avslöjar inte kiselhalten, partikelstrukturen, litiumförlusten under den första cykeln, svällningen, laddningsgränserna, cykellivslängden eller produktionsutbytet. Många produktionsinriktade konstruktioner behåller därför grafit som huvudmaterial och tillsätter en kontrollerad mängd kisel eller kiseloxid.
En detaljerad genomgång av samspelet mellan elektroder och elektrolyt finns i Cell Chemistry & Components. Information om mognadsgraden hos kiselrika konstruktioner och aktuella batteriprogram finns i Latest Advances in EV Battery Technology.
Kisel beskriver anodmaterialet, inte elektrolytens arkitektur. Det kan användas i konventionella Lithium-Ion Battery-celler eller i konstruktioner som använder en fast elektrolyt; se Solid-State Battery.