In de race tegen klimaatverandering zijn ultramoderne oplossingen voor energieopslag van het grootste belang om energieopwekking uit schone energiebronnen te benutten, en onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) onderzoeken strategieën om de energiedichtheid van batterijcellen te verhogen en tegelijkertijd de productiekosten te verlagen .
Siliciumanoden bieden een veelbelovende verbetering van de bestaande lithium-ion (Li-ion) batterijcapaciteiten voor elektrische voertuigen en stationaire opslag. Het vervangen van het grafietanodemateriaal dat doorgaans wordt gebruikt in Li-ionbatterijen door siliciumanoden kan de weg vrijmaken om de grootte van het batterijpakket met 25%-30% te verminderen en het rijbereik met 30%-40% te vergroten.
NREL-onderzoekers lopen voorop in het onderzoek naar siliciumanodes en gebruiken geavanceerde faciliteiten om de fundamentele wetenschap van organische elektrolyten met siliciuminterfaces te verkennen. Recente bevindingen benadrukken echter het belang van voortgezet onderzoek naar de levensduur van op silicium gebaseerde cellen. in een nieuwe Nature Energie Perspectief artikel, “Kalenderveroudering van siliciumhoudende batterijen”, batterijwetenschappers van het Vehicle Technologies Office van het Amerikaanse ministerie van Energie Silicium Consortium Project benadrukken het belang van doorlopend onderzoek naar de kalenderlevensduur van dit anodemateriaal.
"Nieuw onderzoek toont aan dat kalenderveroudering van siliciumanoden een groter probleem is dan we aanvankelijk dachten", zegt Max Schulze, postdoctoraal onderzoeker bij NREL en co-auteur van het perspectief. “Met dit rapport hopen we onderzoekers aan te moedigen om na te denken over de unieke uitdagingen waarmee deze batterijen worden geconfronteerd. Samenwerking tussen laboratoria en in de industrie om dit probleem nu te evalueren en aan te pakken, is essentieel voor het succes van siliciumelektroden in batterijen."
Onderzoekers onderzoeken nieuwe onzekerheden in batterijchemie
Om de levensduur van een batterij te begrijpen, moeten onderzoekers rekening houden met de effecten van zowel batterijgebruik als tijd. Nieuwe elektroden worden doorgaans geëvalueerd door de cellen te laten fietsen - evaluatie van de capaciteitsdegradatie over een bepaald aantal laad-/ontlaadcycli - om het capaciteitsverlies tijdens gebruik te bepalen. Om het capaciteitsverlies in de loop van de tijd te bepalen, mogen geladen cellen gewoon ongebruikt blijven met periodieke metingen van hun capaciteit.
Dit soort experimenten met kalenderveroudering zijn tijdrovend, dus veel onderzoeken naar het leven van de kalender extrapoleren gegevens van kortetermijntests om verouderingstrends te voorspellen. Hoewel deze aanpak heeft gewerkt voor traditionele op grafiet gebaseerde anodes, worden onderzoekers geconfronteerd met nieuwe onzekerheden bij het veranderen van de elektrodechemie. Hierdoor is er relatief weinig bekend over de tijdsafhankelijke degradatie van op silicium gebaseerde batterijen.
"Silicium vormt niet dezelfde stabiele interface met de vloeibare elektrolyt die grafietelektroden hun lange levensduur geeft", zegt Andrew Colclasure, NREL-wetenschapper en een andere co-auteur van het perspectief. "Verder onderzoek is cruciaal om beter te begrijpen hoe de verschillende elektrodechemie de levensduur van de batterij beïnvloedt."
Recente studies beschreven in de Nature Energie Perspectief suggereert dat de toevoeging van silicium aan de batterijanode kan resulteren in een hogere gevoeligheid voor kalenderveroudering. In vergelijking met alleen grafietanodes zijn siliciumhoudende anoden aanzienlijk reactiever. Deze cellen zijn kwetsbaar voor schadelijke chemische reacties, zoals gasvorming, elektrolytafbraak of ontbinding van het siliciumelektrolyt-interface, stressfactoren die na verloop van tijd tot degradatie kunnen leiden, ongeacht of de batterij wordt gebruikt. Als zodanig zijn uitgebreide kalenderverouderingsstudies van vitaal belang om de stabiliteit van silicium in batterijen op de lange termijn te begrijpen.
Door NREL geleid consortium richt zich op levenslange voorspellingen
Het Silicon Consortium Project onder leiding van NREL onderzoekt strategieën om meer te weten te komen over kalenderveroudering van silicium in batterijen. Onderzoekers ontwikkelden nieuwe testprotocollen om de voortgang van siliciummodificaties, celontwerpen, elektrolyten of additieven sneller en efficiënter te beoordelen. De huidige methoden bieden nog geen absolute voorspellingen voor de levensduur van de kalender; onderzoekers kunnen deze gegevens echter gebruiken om de meest veelbelovende strategieën te identificeren voor het verminderen van kalenderveroudering in siliciumelektroden. Uiteindelijk wil het Silicon Consortium Project die strategieën implementeren om batterijen met een lange levensduur met siliciumanoden te ontwikkelen en te demonstreren.
Lees meer over NREL's onderzoek naar energieopslag.
Artikel met dank aan NREL.
Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.
