FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Litium-ionbatterier (LIB) har blitt uunnværlige i vårt daglige liv, og driver alt fra smarttelefoner til elektriske kjøretøy. Etter hvert som etterspørselen etter høyere energilagring vokser, er det behov for å forbedre ytelsen til disse batteriene, spesielt når det gjelder effekt og energitetthet. En av de viktigste komponentene i LIB er den negative elektroden, som tradisjonelt er laget av grafitt. Selv om grafittanoder er stabile og langvarige, har de en begrenset lagringskapasitet. Dette har ført til økt interesse for alternative materialer, hvor silisium (Si) har vist seg å være et lovende alternativ. Si tilbyr en lagringskapasitet som er opptil ti ganger høyere enn grafitt, men lider av betydelig nedbrytning under syklisk bruk, noe som påvirker langtidsprestasjonen. Som et svar på denne utfordringen har forskere vendt seg til silika (SiO2), et naturlig tilgjengelig materiale, som en potensiell løsning. SiO2 kombinerer høy lagringskapasitet med bedre syklusstabilitet enn rent Si, og gjør det til et ideelt kandidat for fremtidige batteriteknologier. Til tross for sitt potensial, har de underliggende mekanismene for hvordan SiO2 reagerer med litiumioner vært dårlig forstått—helt til nå. Gjennom et innovativt forskningsprosjekt satte vi oss som mål å avdekke de grunnleggende mekanismene bak SiO2s interaksjon med litiumioner. Målet vårt var å gi dypere innsikt i hvordan SiO2 kan optimaliseres for å lage mer stabile og effektive anoder for LIB. Ved å bruke avanserte karakteriseringsteknikker utforsket vi hvordan SiO2 gjennomgår litiering, en prosess hvor litiumioner lagres i anoden, og delitering, når ionene slippes ut under utlading. Vi oppdaget at under litiering danner SiO2 et matriks av elektrokjemisk inaktive arter som bidrar til å beskytte materialet mot nedbrytning, mens den på stedet dannede Si-domene gir høy reversibel lagringskapasitet. Denne prosessen er nøkkelen til anodens langsiktige stabilitet, og reduserer nedbrytningsprosessene som vanligvis forkorter levetiden til konvensjonelle batterimaterialer. Forskningen vår er et viktig skritt fremover i å utnytte det fulle potensialet av silisiumbaserte anoder for neste generasjon LIB. Innsiktene vi har fått, kan bane vei for utviklingen av høykapasitets, langvarige anoder, som gjør LIB mer effektive og bærekraftige. Dette fremskrittet har potensial til å påvirke ikke bare fremtidens energilagring for bærbare elektroniske enheter, men også bilindustrien, og hjelpe til med overgangen til grønnere og mer energieffektive teknologier. Prosjektets resultater er et bevis på kraften av avansert forskning og tverrfaglig samarbeid. Ved å kombinere ekspertise innen materialvitenskap, elektrokjemi og avanserte bildeteknikker, har vi med suksess identifisert kritiske faktorer som kan bidra til å revolusjonere batteriteknologien. Når vi fortsetter å utforske nye måter å forbedre batteriytelsen på, gir resultatene fra dette prosjektet et lovende utsyn for fremtidens energilagring.

The project has successfully unveiled the dominant reaction mechanisms of SiO2 during lithiation, providing a comprehensive understanding of its electrochemical behavior and paving the way for optimizing SiO2 anodes in lithium-ion batteries. Through real-time visualization of the spatial distribution of lithiation and delithiation products, it has been shown that electrochemically inactive phases play a crucial role in mitigating volume changes, which contributes to enhancing the cycling stability and lifespan of the electrodes. The multi-probe, multi-scale methodological approach, integrating ex-situ and operando characterization techniques, has proven invaluable in addressing common challenges in studying amorphous electrode materials, offering a powerful new toolkit for the battery research community. Additionally, insights into the influence of pre-lithiation processes and electrolytes have led to the development of improved electrode materials, resulting in better performance metrics such as higher capacity retention. These advancements have significant implications for the future of energy storage technologies, particularly in electric vehicles and renewable energy systems, by supporting the development of more efficient, durable, and sustainable battery solutions.

Li-ion batteries (LIBs) are the bridge between intermittent renewable energy sources and power demand in multi-scale systems. Thus, considering the importance of renewable energy systems for achieving energy sustainability and mitigating climate change, it is expected that LIBs will play a preponderant role in the foreseeable future. However, major improvements in the design and engineering of electrode materials need to be accomplished in order increase the power and energy density of LIBs. Current negative electrodes of LIBs are made of graphite, which exhibits high stability and long durability, but with very limited storage capacity (372 mAhg-1). In this context, SiO2 has been pinpointed as a promising anode material, exhibiting experimental storage capacities above 1100 mAhg-1, together with stable electrochemical performance after prolonged cycling. Theoretical studies indicate that SiO2 reacts irreversibly with Li, producing electroactive Si domains dispersed in a matrix of inactive species. The on-site produced Si would further react reversibly with Li, being the main contributor to the reversible capacity, whereas the inactive phases would buffer Si volume changes, therefore imparting a higher stability to the anode. However, the reaction mechanism of SiO2 towards Li, as well as the interplay between the reaction products remain unclear. This project aims to set the basis for exploiting the full potential of SiO2 anodes that can outperform current state-of-the-art negative electrodes of LIBs. To this end, we propose to develop a multi-probe methodological approach for a multi-scale characterization of SiO2 anodes using post-mortem and in-situ/operando methods to unveil the fundamental aspects of SiO2 reaction towards Li. The outcomes of this project will provide key enablers for the design and development of high capacity and high stability anodes.