22/08/2016
Door Ad Spijkers
Lithium-ion accu’s zouden een zes maal zo grote capaciteit kunnen hebben als hun anode niet uit grafiet maar uit silicium zou bestaan. Extreem dunne laagjes silicium zouden voldoende zijn om de theoretisch mogelijke capaciteit van de accu’s te realiseren.
Een team van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) heeft gedetailleerd onderzocht hoe lithium-ionen in silicium binnendringen. Hun werk toont aan dat al extreem dunne laagjes silicium voldoende zijn om de theoretisch mogelijke capaciteit van de accdu’s te realiseren.
Met neutronenmetingen bij het Institut Laue-Langevin in Grenoble konden de onderzoekers aantonen dat bij het opladen de lithium-ionen niet diep in het silicium doordringen, maar zich vooral in het onmiddellijke grensvlak nestelen. Aldus ontstaat een slechts 20 nm dunne laag die extreem veel lithium bevat. Daardoor zouden al extreem dunne lagen silicium voldoende zijn om een maximale belading met lithium mogelijk te maken.
Lithium-ion-accu's
Lithium-ion-accu’s verzorgen laptops, smartphones en tablets van energie. Elektrische auto’s daarentegen komen met de huidige lithium-ion-accu’s nog niet ver. Dat ligt aan de momenteel gebruikte elektroden uit grafietlagen. Deze kunnen maar een beperkt aantal lithium-ionen opslaan, zodat de capaciteit van de huidige lithiumionaccu’s nauwelijks kan worden vergroot.
Daarom wordt als alternatief voor grafiet naar halfgeleidermaterialen zoals silicium gekeken. Silicium kan enorme hoeveelheden lithium opnemen. Echter, het binnendringen van de lithium-ionen verstoort de kristalstructuur van het silicium. Daarbij kan het volume tot het drievoudige toenemen, wat tot grote mechanische spanningen leidt.
Een team van het Helmholtz-Institut heeft een halfcel uit lithium en silicium bij het laden en ontladen direct bekeken. Met neutronenreflectometrie konden ze nauwkeurig volgen waar zich lithiumionen in de silicium elektrode positioneren en hoe snel ze zich bewegen.
Daarbij vonden ze twee verschillende zones. Vlak bij het grensvlak naar de elektrolyt vormt zich een ongeveer 20 nm dunne laag met extreem hoog lithiumgehalte. Op 10 siliciumatomen zijn er 25 lithiumatomen. Daarop sluit een tweede, lithiumarm laag aan: hier komt op tien siliciumatomen nog maar één lithiumatoom voor. Beide lagen samen zijn na de tweede laadcyclus minder dan 100 nm dik.
Zesvoudige capaciteit
Na het ontladen blijft in de silicium grenslaag naar het elektrolyt ongeveer één lithiumion per siliciumplaats in de elektrode achter. Daaruit berekenden de onderzoekers dat de theoretische maximale capaciteit van zo’n silicium-lithium-batterij op ongeveer 2300 mAh/g (milliampère-uur/gram) ligt. Dat is meer dan het zesvoudige van de maximaal theoretisch haalbare capaciteit van een lithiumionaccu, die met grafiet werkt (372 mAh/g).
Uit dit werk zijn concrete aanwijzingen gekomen voor het ontwerp van goede silicium-elektroden. Zeer dunne siliciumfolies zouden meer dan voldoende zijn om een maximum aan lithium op te nemen, wat weer materiaal en vooral energie bij de productie bespaart (illustratie: Helmholtz-Zentrum Berlin).