Chinese wetenschappers hebben een aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van solid-state batterijtechnologie door een siliciumanode te ontwikkelen met een unieke, driedimensionale structuur die is ontworpen om de inherente instabiliteit van het materiaal te overwinnen. De doorbraak, geleid door professor Chen Wanghua van de Ningbo Universiteit, pakt een grote hindernis aan bij de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie: de neiging van silicium om uit te zetten en af te breken tijdens oplaadcycli.
Het probleem met silicium
Silicium is uitzonderlijk veelbelovend voor lithiumbatterijen met een hoge capaciteit, die theoretisch tien keer meer energie kunnen bevatten dan conventionele grafietanodes. De dramatische volumeverandering (meer dan 300%) tijdens het opladen heeft echter historisch gezien de toepassing ervan in de echte wereld verlamd. Deze uitzetting veroorzaakt mechanische spanning, breekt batterij-interfaces af en vermindert snel de prestaties.
Zoals professor Chen Wanghua het stelt, is silicium een ‘superporter’ met een enorm opslagpotentieel, maar wel een die bij herhaald gebruik ‘met geweld uitzet’ en ‘instort’. Deze instabiliteit is lange tijd de belangrijkste barrière geweest voor het realiseren van het volledige potentieel van silicium.
De “ademende” oplossing
Het onderzoeksteam maakte gebruik van plasma-enhanced chemische dampdepositie (PECVD) om een nieuwe kolomvormige siliciumarchitectuur te creëren die direct geïntegreerd is met de stroomcollector. Dit ontwerp is voorzien van een “dual-phase” kern-schaalstructuur, gebouwd in twee stappen.
De belangrijkste innovatie is de doelbewuste introductie van holtes tussen verticaal uitgelijnde siliciumnanodraden. Dit netwerk creëert interne ‘ademhalingskleppen’ waardoor het silicium kan uitzetten naar gereserveerde ruimtes wanneer lithiumionen naar binnen stromen, in plaats van de omringende vaste elektrolyt te verpletteren.
In feite zijn onderzoekers overgestapt van het gebruik van ‘siliciumpoeder’ naar het bouwen van een ‘bos’ van met elkaar verweven nanodraden dat uitbreiding mogelijk maakt zonder structureel falen.
Uitzonderlijke prestaties en duurzaamheid
Tests bevestigen de superieure prestaties van de nieuwe anode. De resulterende solid-state batterij behield de vermogensafgifte, zelfs wanneer deze gebogen of gesneden was, wat een uitzonderlijke mechanische robuustheid en veiligheid aantoont.
Deze doorbraak vertegenwoordigt een verschuiving in de richting van het ontwerpen van batterijmaterialen met zowel ionische geleidbaarheid als structurele integriteit in gedachten. Het brengt hoogenergetische, duurzame solid-state siliciumbatterijen aanzienlijk dichter bij praktische realisatie.
Dit onderzoek biedt een haalbaar technisch pad voor de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie, die mogelijk een revolutie teweegbrengen in de energieopslag voor elektrische voertuigen en draagbare elektronica.
