07 februari 2024 (Nanowerk NieuwsFuturistische ontwikkelingen op het gebied van AI en gezondheidszorg stonden in de schijnwerpers tijdens het tech extravaganza Consumer Electronics Show (CES) 2024. Batterijtechnologie is echter de gamechanger die centraal staat in deze innovaties, waardoor een grotere energie-efficiëntie mogelijk wordt. Belangrijk is dat deze technologie het meest intensief wordt toegepast in elektrische voertuigen. De huidige elektrische voertuigen kunnen ongeveer 700 km afleggen op één lading, terwijl onderzoekers mikken op een batterijbereik van 1,000 km. Onderzoekers onderzoeken vurig het gebruik van silicium, bekend om zijn hoge opslagcapaciteit, als anodemateriaal in lithium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen. Ondanks het potentieel blijft het praktisch toepassen van silicium echter een puzzel die onderzoekers nog steeds hard aan het oplossen zijn. Professor Soojin Park, promovendus Minjun Je, en dr. Hye Bin Son van de afdeling scheikunde van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) komen aan bod. Ze hebben de code gekraakt door een zakvriendelijk en oerdegelijk Li-ion-batterijsysteem met hoge energiedichtheid van de volgende generatie te ontwikkelen, waarbij gebruik wordt gemaakt van micro-siliciumdeeltjes en gelpolymeerelektrolyten. Dit werk is gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap (“Formuleren van door elektronenbundels geïnduceerde covalente bindingen voor stabiele siliciummicrodeeltjesanode met hoge energiedichtheid”).
Covalente bindingsvorming tussen microsilicium en gelelektrolyt via een elektronenstraalproces. (Afbeelding: POSTECH) Het gebruik van silicium als batterijmateriaal brengt uitdagingen met zich mee: het zet meer dan drie keer uit tijdens het opladen en trekt vervolgens weer terug naar zijn oorspronkelijke grootte tijdens het ontladen, wat een aanzienlijke invloed heeft op de efficiëntie van de batterij. Gebruikmakend van silicium van nanoformaat (10-9 m) lost het probleem gedeeltelijk op, maar het geavanceerde productieproces is complex en astronomisch duur, waardoor het een uitdagend budgetvoorstel is. Daarentegen is silicium van microformaat (10-6m ) is buitengewoon praktisch in termen van kosten en energiedichtheid. Toch wordt het uitzettingsprobleem van de grotere siliciumdeeltjes duidelijker tijdens het gebruik van batterijen, wat beperkingen met zich meebrengt voor het gebruik ervan als anodemateriaal. Het onderzoeksteam paste gelpolymeerelektrolyten toe om een economisch maar stabiel batterijsysteem op siliciumbasis te ontwikkelen. De elektrolyt in een lithium-ionbatterij is een cruciaal onderdeel en vergemakkelijkt de beweging van ionen tussen de kathode en anode. In tegenstelling tot conventionele vloeibare elektrolyten bestaan gelelektrolyten in een vaste of geltoestand, gekenmerkt door een elastische polymeerstructuur die een betere stabiliteit heeft dan hun vloeibare tegenhangers. Het onderzoeksteam gebruikte een elektronenbundel om covalente bindingen te vormen tussen micro-siliciumdeeltjes en gelelektrolyten. Deze covalente bindingen dienen om interne spanningen te verspreiden die worden veroorzaakt door volume-expansie tijdens de werking van lithium-ionbatterijen, waardoor de veranderingen in het micro-siliciumvolume worden verlicht en de structurele stabiliteit wordt verbeterd. Het resultaat was opmerkelijk: de batterij vertoonde stabiele prestaties, zelfs met micro-siliciumdeeltjes (5 μm), die honderd keer groter waren dan die gebruikt in traditionele nano-siliciumanoden. Bovendien vertoonde het door het onderzoeksteam ontwikkelde siliciumgelelektrolytsysteem een ionengeleidbaarheid die vergelijkbaar is met die van conventionele batterijen die vloeibare elektrolyten gebruiken, met een verbetering van de energiedichtheid met ongeveer 40%. Bovendien is het systeem van het team van grote waarde dankzij het eenvoudige productieproces dat klaar is voor onmiddellijke toepassing. Professor Soojin Park benadrukte: “We gebruikten een micro-siliciumanode, maar toch hebben we een stabiele batterij. Dit onderzoek brengt ons dichter bij een echt lithium-ionbatterijsysteem met hoge energiedichtheid.”
Covalente bindingsvorming tussen microsilicium en gelelektrolyt via een elektronenstraalproces. (Afbeelding: POSTECH) Het gebruik van silicium als batterijmateriaal brengt uitdagingen met zich mee: het zet meer dan drie keer uit tijdens het opladen en trekt vervolgens weer terug naar zijn oorspronkelijke grootte tijdens het ontladen, wat een aanzienlijke invloed heeft op de efficiëntie van de batterij. Gebruikmakend van silicium van nanoformaat (10-9 m) lost het probleem gedeeltelijk op, maar het geavanceerde productieproces is complex en astronomisch duur, waardoor het een uitdagend budgetvoorstel is. Daarentegen is silicium van microformaat (10-6m ) is buitengewoon praktisch in termen van kosten en energiedichtheid. Toch wordt het uitzettingsprobleem van de grotere siliciumdeeltjes duidelijker tijdens het gebruik van batterijen, wat beperkingen met zich meebrengt voor het gebruik ervan als anodemateriaal. Het onderzoeksteam paste gelpolymeerelektrolyten toe om een economisch maar stabiel batterijsysteem op siliciumbasis te ontwikkelen. De elektrolyt in een lithium-ionbatterij is een cruciaal onderdeel en vergemakkelijkt de beweging van ionen tussen de kathode en anode. In tegenstelling tot conventionele vloeibare elektrolyten bestaan gelelektrolyten in een vaste of geltoestand, gekenmerkt door een elastische polymeerstructuur die een betere stabiliteit heeft dan hun vloeibare tegenhangers. Het onderzoeksteam gebruikte een elektronenbundel om covalente bindingen te vormen tussen micro-siliciumdeeltjes en gelelektrolyten. Deze covalente bindingen dienen om interne spanningen te verspreiden die worden veroorzaakt door volume-expansie tijdens de werking van lithium-ionbatterijen, waardoor de veranderingen in het micro-siliciumvolume worden verlicht en de structurele stabiliteit wordt verbeterd. Het resultaat was opmerkelijk: de batterij vertoonde stabiele prestaties, zelfs met micro-siliciumdeeltjes (5 μm), die honderd keer groter waren dan die gebruikt in traditionele nano-siliciumanoden. Bovendien vertoonde het door het onderzoeksteam ontwikkelde siliciumgelelektrolytsysteem een ionengeleidbaarheid die vergelijkbaar is met die van conventionele batterijen die vloeibare elektrolyten gebruiken, met een verbetering van de energiedichtheid met ongeveer 40%. Bovendien is het systeem van het team van grote waarde dankzij het eenvoudige productieproces dat klaar is voor onmiddellijke toepassing. Professor Soojin Park benadrukte: “We gebruikten een micro-siliciumanode, maar toch hebben we een stabiele batterij. Dit onderzoek brengt ons dichter bij een echt lithium-ionbatterijsysteem met hoge energiedichtheid.”
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64611.php
