Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Exploiting the full potential of SiO2 anodes for Li-ion Batteries

Alternativ tittel: Utnytte det fulle potensialet til SiO2-anoder for Li-ion-batterier

Tildelt: kr 8,0 mill.

Li-ion batterier er den dominerende teknologien for bærbar elektronikk og elektriske kjøretøy, og forventes å spille en betydelig rolle i energisystemet i nær framtid. For å kunne være en attraktiv teknologi, gitt den store veksten i etterspørsel eller teknologier for lagring av elektrisk energi, er det fortsatt behov for forbedringer av Li-ion batterier med hensyn til energi- og effekttetthet. En viktig komponent i Li-ion batteriet er anoden, hvor det dominerende anodematerialet er grafitt. Grafittanoder er relativt stabile, men har en begrenset kapasitet med tanke på lagring av litium. Alternativt har silisium (Si) omtrent 10 ganger høyere kapasitet sammenlignet med grafitt, men degraderer raskt, noe som gir kort levetid for anoden, og hindrer bruk i kommersielle celler. Silica (SiO2), som forekommer i store mengder i naturen, er et annet lovende anodemateriale, som både har potentielt høy kapasitet, og god stabilitet ved langtidssykling. Til tross for at materialet har et stort potensiale som anode, så er de underliggende mekanismene for litiering av dette materialet fortsatt ikke godt kjent. Det har vært foreslått at SiO2 konverterer til domener av Si, inkorporert i en matrise av et elektrokjemisk inaktivt materiale. Dette betyr at Si dannet under sykling kan bidra med høy kapasitet for anoden, samtidig som den inaktive matrisen bidrar til å øke stabiliteten, og kan dermed også forlenge levetiden for anodene. Med bakgrunn i dette anser vi at en omfattende studie av litieringsmekanismer for SiO2 er essensielt for å bedre forstå og utnytte potensialet både til anoder basert på SiO2, men også for å utvikle stabile Si anoder. Hovedmålet for prosjektet er derfor å avdekke de fundamentale aspektene ved reaksjonene mellom SiO2, og dermed levere kunnskapsgrunnlaget for design og utvikling av anoder med høy kapasitet for neste generasjon Li-ion batteri.

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.

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek