De batterijtechnologie wordt beschreven in het nummer van 24 september 2021 van het tijdschrift Wetenschap. Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego leidden het onderzoek, in samenwerking met onderzoekers van LG Energy Solution.

Siliciumanoden staan ​​bekend om hun energiedichtheid, die 10 keer groter is dan de grafietanodes die het meest worden gebruikt in de huidige commerciële lithium-ionbatterijen. Aan de andere kant zijn siliciumanoden berucht om hoe ze uitzetten en krimpen als de batterij wordt opgeladen en ontladen, en om hoe ze degraderen met vloeibare elektrolyten. Deze uitdagingen hebben ervoor gezorgd dat volledig siliciumanodes uit commerciële lithium-ionbatterijen zijn gehouden, ondanks de verleidelijke energiedichtheid. Het nieuwe werk gepubliceerd in Wetenschap biedt een veelbelovend pad voorwaarts voor volledig siliciumanodes, dankzij de juiste elektrolyt.

"Met deze batterijconfiguratie openen we een nieuw terrein voor solid-state batterijen met behulp van gelegeerde anodes zoals silicium", zegt Darren HS Tan, de hoofdauteur van het artikel. Hij voltooide onlangs zijn doctoraat in de chemische technologie aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en was mede-oprichter van een startup UNIGRID Battery die deze technologie in licentie heeft gegeven.

Solid-state batterijen van de volgende generatie met hoge energiedichtheid hebben altijd vertrouwd op metallisch lithium als anode. Maar dat legt beperkingen op aan de oplaadsnelheden van de batterij en de noodzaak van een verhoogde temperatuur (meestal 60 graden Celsius of hoger) tijdens het opladen. De siliciumanode overwint deze beperkingen, waardoor veel snellere laadsnelheden mogelijk zijn bij kamertemperatuur tot lage temperaturen, terwijl de hoge energiedichtheid behouden blijft.

Het team demonstreerde een volledige cel op laboratoriumschaal die 500 laad- en ontlaadcycli levert met 80% capaciteitsbehoud bij kamertemperatuur, wat een opwindende vooruitgang betekent voor zowel de siliciumanode- als de solid-state batterijgemeenschap.

Silicium als anode ter vervanging van grafiet

Siliciumanoden zijn natuurlijk niet nieuw. Decennialang hebben wetenschappers en batterijfabrikanten naar silicium gekeken als een energierijk materiaal om te mengen in, of volledig te vervangen, conventionele grafietanodes in lithium-ionbatterijen. Theoretisch biedt silicium ongeveer 10 keer de opslagcapaciteit van grafiet. In de praktijk hebben lithium-ionbatterijen waaraan silicium aan de anode is toegevoegd om de energiedichtheid te verhogen, echter doorgaans te maken met prestatieproblemen in de praktijk: met name het aantal keren dat de batterij kan worden opgeladen en ontladen met behoud van de prestaties is niet hoog genoeg.

Een groot deel van het probleem wordt veroorzaakt door de interactie tussen siliciumanoden en de vloeibare elektrolyten waaraan ze zijn gekoppeld. De situatie wordt gecompliceerd door de grote volume-expansie van siliciumdeeltjes tijdens het laden en ontladen. Dit leidt in de loop van de tijd tot ernstige capaciteitsverliezen.

“Als batterijonderzoekers is het essentieel om de wortelproblemen in het systeem aan te pakken. Voor siliciumanodes weten we dat een van de grote problemen de instabiliteit van de vloeistof-elektrolytinterface is”, zegt Shirley Meng, professor nanoengineering van UC San Diego, de corresponderende auteur van het onderzoek. Wetenschap paper en directeur van het Institute for Materials Discovery and Design aan de UC San Diego. "We hadden een totaal andere aanpak nodig", zei Meng.

Het door UC San Diego geleide team koos inderdaad een andere benadering: ze elimineerden de koolstof en de bindmiddelen die bij volledig siliciumanodes hoorden. Daarnaast gebruikten de onderzoekers micro-silicium, dat minder bewerkt en goedkoper is dan nano-silicium dat vaker wordt gebruikt.

Een volledig solid-state oplossing

Naast het verwijderen van alle koolstof en bindmiddelen uit de anode, verwijderde het team ook de vloeibare elektrolyt. In plaats daarvan gebruikten ze een op sulfide gebaseerde vaste elektrolyt. Hun experimenten toonden aan dat deze vaste elektrolyt extreem stabiel is in batterijen met volledig siliciumanoden.

"Dit nieuwe werk biedt een veelbelovende oplossing voor het siliciumanodeprobleem, hoewel er meer werk aan de winkel is", zei professor Meng, "ik zie dit project als een validatie van onze benadering van batterijonderzoek hier bij UC San Diego. We combineren het meest rigoureuze theoretische en experimentele werk met creativiteit en out-of-the-box denken. We weten ook hoe we moeten communiceren met industriële partners terwijl we moeilijke fundamentele uitdagingen aangaan.”

Eerdere inspanningen om anoden van siliciumlegeringen op de markt te brengen, richten zich voornamelijk op silicium-grafietcomposieten, of op het combineren van nanogestructureerde deeltjes met polymere bindmiddelen. Maar ze worstelen nog steeds met een slechte stabiliteit.

Door de vloeibare elektrolyt te verwisselen voor een vaste elektrolyt en tegelijkertijd de koolstof en bindmiddelen van de siliciumanode te verwijderen, vermeden de onderzoekers een reeks gerelateerde uitdagingen die zich voordoen wanneer anoden doordrenkt raken met de organische vloeibare elektrolyt terwijl de batterij functioneert.

Tegelijkertijd heeft het team, door de koolstof in de anode te elimineren, het grensvlakcontact (en ongewenste nevenreacties) met de vaste elektrolyt aanzienlijk verminderd, waardoor continu capaciteitsverlies wordt vermeden dat typisch optreedt bij op vloeistof gebaseerde elektrolyten.

Door deze tweeledige stap konden de onderzoekers ten volle profiteren van de voordelen van lage kosten, hoge energie en milieuvriendelijke eigenschappen van silicium.

Impact & spin-off commercialisering

“De solid-state siliciumbenadering overwint veel beperkingen in conventionele batterijen. Het biedt spannende kansen voor ons om te voldoen aan de marktvraag naar hogere volumetrische energie, lagere kosten en veiligere batterijen, met name voor energieopslag in het elektriciteitsnet”, zegt Darren HS Tan, de eerste auteur van het artikel. Wetenschap papier.

Op sulfide gebaseerde vaste elektrolyten werden vaak als zeer onstabiel beschouwd. Dit was echter gebaseerd op traditionele thermodynamische interpretaties die worden gebruikt in vloeibare elektrolytsystemen, die geen rekening hielden met de uitstekende kinetische stabiliteit van vaste elektrolyten. Het team zag een kans om deze contra-intuïtieve eigenschap te gebruiken om een ​​zeer stabiele anode te creëren.

Tan is de CEO en medeoprichter van een startup, UNIGRID Battery, die de technologie voor deze silicium solid-state batterijen in licentie heeft gegeven.

Tegelijkertijd zullen verwante fundamentele werkzaamheden worden voortgezet bij UC San Diego, inclusief aanvullende onderzoekssamenwerking met LG Energy Solution.

“LG Energy Solution is verheugd dat het laatste onderzoek naar batterijtechnologie met UC San Diego in het tijdschrift van Wetenschap, een betekenisvolle erkenning”, zegt Myung-hwan Kim, President en Chief Procurement Officer bij LG Energy Solution. "Met de nieuwste bevinding is LG Energy Solution veel dichter bij het realiseren van all-solid-state batterijtechnieken, wat ons assortiment batterijproducten enorm zou diversifiëren."

"Als toonaangevende batterijfabrikant zal LGES zich blijven inspannen om geavanceerde technieken te bevorderen in toonaangevend onderzoek naar batterijcellen van de volgende generatie", voegde Kim eraan toe. LG Energy Solution zei dat het van plan is om de samenwerking op het gebied van onderzoek naar solid-state batterijen met UC San Diego verder uit te breiden.

Het onderzoek werd ondersteund door de open innovatie van LG Energy Solution, een programma dat batterijgerelateerd onderzoek actief ondersteunt. LGES heeft met onderzoekers over de hele wereld samengewerkt om verwante technieken te bevorderen.

Papieren titel: "Koolstofvrije hoogbelastende siliciumanoden mogelijk gemaakt door Sulfide Solid Electrolytes", in het nummer van 24 september 2021 van Wetenschap.

Auteurs: Darren HS Tan, Yu-Ting Chen, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Scharf, Erik A. Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen en Ying Shirley Meng van het Department of Nano Engineering, Program of Chemical Engineering en Sustainable Power & Energy Center (SPEC) University of California San Diego Jacobs School of Engineering; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, van LG Energy Solution, Ltd.

financiering: Deze studie werd financieel ondersteund door het bedrijf LG Energy Solution via het Battery Innovation Contest (BIC)-programma. ZC erkent de financiering van de start-upfondssteun van de Jacob School of Engineering aan de University of California San Diego. YSM erkent financieringssteun van het Zable Endowed Chair Fund.