Fig. 1 Fabbricazione di elettrodi con compositi di trucioli di silicio/foglio di grafite (credito:Università di Osaka)
Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono ampiamente utilizzate nell'elettronica mobile. Le preoccupazioni per il riscaldamento globale e il cambiamento climatico hanno recentemente aumentato la domanda di LIB nei veicoli elettrici e il livellamento della produzione solare fotovoltaica. Il Si è stato studiato come materiale attivo con un'elevata capacità teorica di 3578 mAh/g, che è circa dieci volte superiore a quello della grafite (372 mAh/g).
Ora, un team di ricercatori dell'Università di Osaka ha utilizzato nanopolvere di silicio a forma di fiocco avvolta da fogli di grafite ultrasottili (GS) per fabbricare elettrodi LIB con elevata capacità areale e densità di corrente.
Generalmente trattati come rifiuti industriali, Si swarf viene generato ad una velocità di 100, 000 tonnellate all'anno a livello globale da lingotti di Si prodotti dalla silice attraverso processi a 1000~1800°C. I refrigeranti a base d'acqua e le seghe a filo a grana abrasiva fissa stanno aprendo la strada all'uso di trucioli di silicio come materiale attivo anodico con un'elevata capacità a un costo ridotto.
Materiali in nanocarbonio sono stati applicati agli elettrodi di silicio per migliorare la conduttività elettrica e la ciclabilità. Sono state dimostrate molte strategie per gestire grandi variazioni di volume degli elettrodi di Si a costi relativamente elevati. Però, gli elettrodi Si non combinano tutti i requisiti per elevate prestazioni degli elettrodi, vale a dire costi ridotti, rispetto dell'ambiente di materiali e processi, ed economia circolare.
Fig. 2 Immagine al microscopio elettronico a trasmissione di compositi di trucioli di silicio/foglio di grafite (credito:modificato parzialmente dalla figura originale con CC BY 4.0.)
"In questo studio, Compositi di fogli di Si/grafite da trucioli di Si e grafite espansa sono utilizzati come materiale attivo con costi e budget termico ridotti (Fig. 1). La nanopolvere di silicio viene dispersa e avvolta tra GS fabbricati da grafite espansa (Fig. 2), " spiega il primo autore Jaeyoung Choi. "I ponti GS si formano attraverso le fessure e sopprimono la fessurazione e il distacco del Si. I GS agglomerati avvolgono i compositi Si/GS, e funzionano come strutture stabili che assicurano i percorsi degli elettroliti e gli spazi tampone per il cambiamento di volume del silicio."
La struttura composita Si/GS e la limitazione della delitiazione migliorano la ciclabilità fino a 901 cicli a 1200 mAh/g. La capacità di delitiazione areale e la densità di corrente degli elettrodi Si/GS aumentano linearmente fino a 4 mAh/cm 2 e 5 mA/cm 2 , rispettivamente, con il carico di massa per più di 75 cicli (Fig. 3), mentre gli elettrodi spessi con Si rivestito di C fabbricati in C2H4 non sono competitivi.
Fig. 3 Prestazioni del ciclo di elettrodi spessi con compositi di trucioli di silicio/foglio di grafite (GS) e Si rivestito di C. Il Si rivestito con C è stato fabbricato in C2H4 a 1000°C. (credito:CC BY 4.0.)
"Le batterie all'anodo al silicio ad alta capacità e ad alta densità di corrente hanno il potenziale per essere utilizzate nei veicoli elettrici. Questo potenziale, combinato con la crescente generazione di trucioli di silicio come rifiuti industriali, consentirà al nostro lavoro di contribuire alla riduzione delle emissioni di gas serra e al raggiungimento degli SDGs, " dice l'autore corrispondente Taketoshi Matsumoto.
