Siliziumbatterie

Wiki Battery - Batterien & Energiespeicher

Lithium-Siliziumbatterien, Siliziumanode, und Siliziumkomposite

Siliziumbatterie - Siliciumbatterie Silizium batterie akku
Siliziumbatterie - Siliciumbatterie Silizium batterie akku

Die Siliziumbatterie ist eine Bezeichnung für eine Unterklasse der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, bei der eine Anode auf Siliziumbasis und Lithiumionen als Ladungsträger verwendet werden. Materialien auf Siliziumbasis haben im Allgemeinen eine viel grössere spezifische Kapazität, z. B. 3600 mAh/g für reines Silizium, im Vergleich zu Graphit, das auf eine maximale theoretische Kapazität von 372 mAh/g für den vollständig lithiierten Zustand LiC6 beschränkt ist. 

Damit kann mit der reinen Siliziumanode in der Siliziumbatterie fast zehnmal mehr Energie gespeichert werden. Die grosse Volumenänderung von Silicium beim Einbringen von Lithiumionen ist neben der hohen Reaktivität im geladenen Zustand eines der Haupthindernisse für die Kommerzialisierung dieses Anodentyps. Kommerzielle Batterieanoden können geringe Mengen an Silicium enthalten, was ihre Leistung leicht erhöht. 

Lithium-Siliziumbatterien umfassen auch Zellkonfigurationen, bei denen Silizium in Verbindungen enthalten ist, die bei niedriger Spannung Lithium durch eine Verdrängungsreaktion speichern können, darunter Siliziumdioxid-Carbid, Siliziumonoxid oder Siliziumnitrid.

10-fache Kapazität mit Siliziumanode

Siliziumanode in siliziumbatterien logo
Siliziumanode in siliziumbatterien logo

Eine kristalline Siliziumanode hat eine theoretische spezifische Kapazität von 3600 mAh/g, etwa das Zehnfache der üblicherweise verwendeten Graphitanoden (begrenzt auf 372 mAh/g).

Jedes Siliziumatom kann in seinem vollständig lithiierten Zustand bis zu 3,75 Lithiumatome binden, verglichen mit einem Lithiumatom pro 6 Kohlenstoffatome beim vollständig lithiierten Graphit (LiC6)

Vergleich Volumenänderung und Kapazitäten von 5 Anoden nach Lithiierung

Anode

Lithiierte Anode

Kapazität (mAh/g)

Volumenänderung
nach Lithiierung

Reines Lithiummetall

Li

3862

Alumiumanode

Li9Al4

2235

604%

Zinnanode

Li13Sn5

990

252%

Siliziumanode

Li15Si4

3600

320%

Graphit

LiC6

372

10%

Problem der Volumen-Vergrösserung in Siliziumbatterien (lithiierte Anode) („Siliziumquellung“)

Der Gitterabstand zwischen den Siliciumatomen vergrössert sich bei der Aufnahme von Lithiumionen (Lithiierung) um ein Vielfaches und erreicht 321 % des ursprünglichen Volumens. Die Ausdehnung führt zu grossen anisotropen Spannungen in der lithiierten Anode (Silizium-Elektrodenmaterial), wodurch, dass die Elektrode bricht und zerbröckelt und sich vom Stromabnehmer ablöst. Eine Lösung für die Kapazitäts- und Stabilitätsprobleme, die sich aus der erheblichen Volumenausdehnung bei der Lithiierung ergeben, ist für den Erfolg von Siliziumbatterien entscheidend.

Da sich die Eigenschaften der Volumenausdehnung und -kontraktion von Nanopartikeln stark von denen der Masse unterscheiden, wurden Silizium-Nanopartikel, Nanodrähte als mögliche Lösung untersucht. Sie haben zwar einen höheren Anteil an Oberflächenatomen als herkömmliche Siliciumpartikel (Mesopartikel & Micropartikel), aber die erhöhte Reaktivität kann durch Umhüllung, Beschichtung oder andere Methoden, die den Kontakt zwischen Oberfläche und Elektrolyt begrenzen, kontrolliert werden Volumenänderungen verringern.

Lithium-Ionen: Hoffnungsträger Siliziumanode

Das chemische Element Silizium gilt als Hoffnungsträger für deutlich höhere Energiedichten, wenn man es als Anoden-Material in der Lithium-Ionen-Batteriezelle einsetzt. Seine volumetrische Energiedichte einer Siliziumanode übersteigt die von Graphit – dem im Jahr 2022 eingesetzten industriellen Standard – um fast das Dreifache. 

Siliziumkomposite in Lithium-Ionen-Batterien (LIB)

Die Batterie-Industrie verwendet heute einige Prozent-Anteil an Silizium zusammen mit anderen Kohlenstoff-Verbindungen als Silicium-Komposite in Lithium-Ionen Batterien. Eine reine wiederaufladbare «echte» Silizium-Batterie mit einer hohen Zyklenfestigkeit existiert noch nicht, da Siliziumbatterien schwierig stabil herzustellen sind.

Silikone - Silicone - sind siliciumhaltige Polymere - erklärt von WikiBattery dem Wikipedia für Batterien auf WikiBattery.org
Silikone - Silicone - sind siliciumhaltige Polymere - erklärt von WikiBattery dem Wikipedia für Batterien auf WikiBattery.org

Herstellung von Siliziumanoden

TEM-Aufnahmen-von-nano-SiO2-silica-Teilchen
TEM-Aufnahmen-von-nano-SiO2-silica-Teilchen
SEM-Bilder von SiO2-Granatäpfel-artigen, Mikrometer grossen Kieselsäure (SiO2) Clusters
SEM-Bilder von SiO2-Granatäpfel-Artigen, Mikrometer grossen Kieselsäure (SiO2) Clusters

Siliziumreaktivität

SEM Aufnahmen von porösen-Mikropartikel aus Silizium
SEM Aufnahmen von porösen-Mikropartikel aus Silizium

Jüngste Arbeiten von Han et al. haben eine In-situ-Beschichtungsmethode identifiziert, die die Redoxaktivität der Oberfläche eliminiert und die Reaktionen mit den Lösungsmitteln einschränkt, die stattfinden können. Obwohl es die mit der Volumenausdehnung verbundenen Probleme nicht beeinflusst, hat sich gezeigt, dass es bei Beschichtungen auf der Basis von Mg-Kationen die Zykluslebensdauer und die Kapazität erheblich erhöht, und zwar in ähnlicher Weise wie das filmbildende Additiv Fluorethylencarbonat (FEC).

Silikone

Silikone sind siliciumhaltige, elektrisch nicht leitfähige Polymere, die als Wärmeleitmaterialien (Klebstoffe, Füllstoffe und Dichtstoffe) in der E-Mobilität (Batterie-Packs) verwendet werden.

(Lithium-Siliciumbatterie, Siliciumanode, und Siliciumkomposite)

Literatur & Referenzen

  1. Zuo, Xiuxia; Zhu, Jin; Muller-Buschbaum, Peter; Cheng, Ya Chin (2017). «Silicon based lithium-ion battery anodes: A chronicle perspective review». Nano Energy. 31 (1): 113–143. doi:10.1016/j.nanoen.2016.11.013.
  2. Shao, Gaofeng, et al. Polymer derived SiOC integrated with graphene aerogel as highly stable Li-ion battery anodes ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 41, 46045–46056
  3. Jump up to:a b c Mukhopadhyay, Amartya; Sheldon, Brian W. (2014). «Deformation and stress in electrode materials for Li-ion batteries». Progress in Materials Science. 63: 58–116. doi:10.1016/j.pmatsci.2014.02.001.
  4. Silicon nitride electrodes Journal of Power Sources >> DOI: doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.12.097
  5. Lai, S (1976). «Solid Lithium Silicon Electrodes». Journal of the Electrochemical Society. 123 (8): 1196–1197. Bibcode:1976JElS..123.1196L. doi:10.1149/1.2133033.
  6. Yoshio, Masaki; Wang, Hongyu; Fukudu, Kenji; Umeno, Tatsuo; Dimov, Nickolay; Ogumi, Zempachi (2002). «Carbon-Coated Silicon as a Lithium-Ion Battery Anode Materials». Journal of the Electrochemical Society. 149 (12): A1598. Bibcode:2002JES…..115029L. doi:10.1149/1.1518988. ISSN 0013-4651.
  7. St. John, Jeff (2014-01-06). «Amprius Gets $30M Boost for Silicon-Based Lithium-Ion Batteries». Greentechmedia. Retrieved 2015-07-21.
  8. Bullis, Kevin (10 January 2014). «Startup Gets $30 Million to Bring High-Energy Silicon Batteries to Market». MIT Technology Review.
  9. Li, Yuzhang; Yan, Kai; Lee, Hyun-Wook; Lu, Zhenda; Liu, Nian; Cui, Yi (2016). «Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes». Nature Energy. 1 (2): 15029. doi:10.1038/nenergy.2015.29. ISSN 2058-7546.
  10. Rathi, Akshat (2021-03-10). «How we get to the next big battery breakthrough». Quartz. Retrieved 2019-08-18.
  11. Wesoff, Eric (2019-04-17). «Daimler Leads $170M Investment in Sila Nano’s Next-Generation Battery Tech». Green Tech Media. Retrieved 2019-08-18.
  12. Root, Al (2020-10-19). «Another Way Tesla Can Reduce Battery Costs».
  13. Casey, Tina (2020-12-21). «US Energy Dept. Hearts New Silicon EV Batteries».
  14. «How The Next Batteries Will Change the World«. Bloomberg. 2021-03-10. 
  15. Tesla Inc. «2020 Annual Meeting of Stockholders».
  16. Fox, Eva. «Tesla Silicon Anode for 4680 Battery Cell: What’s the Secret?».
  17. Bellan, Rebecca (September 8, 2021). «Sila Nanotechnologies› battery technology will launch in Whoop wearables». TechCrunch. Retrieved 2021-09-09.
  18. Tarascon, J.M.; Armand, M. (2001). «Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries». Nature. 414 (6861): 359–67. doi:10.1038/35104644. PMID 11713543. S2CID 2468398.
  19. Galvez-Aranda, Diego E.; Ponce, C. (2017). «Molecular dynamics simulations of the first charge of a Li-ion—Si-anode nanobattery». J Mol Model. 23 (120): 120. doi:10.1007/s00894-017-3283-2.
  20. Besenhard, J.; Daniel, C., eds. (2011). Handbook of Battery Materials. Wiley-VCH.
  21. Nazri, Gholam-Abbas; Pistoia, Gianfranco, eds. (2004). Lithium Batteries – Science and Technology. Kluwer Academic Publishers. p. 117. ISBN 978-1-4020-7628-2
  22. Berla, Lucas A.; Lee, Seok Woo; Ryu, Ill; Cui, Yi; Nix, William D. (2014). «Robustness of amorphous silicon during the initial lithiation/delithiation cycle». Journal of Power Sources. 258: 253–259.  doi:10.1016/j.jpowsour.2014.02.032.
  23. Jung, H (2003). «Amorphous silicon anode for lithium-ion rechargeable batteries». Journal of Power Sources. 115 (2): 346–351. doi:10.1016/S0378-7753(02)00707-3.
  24. Chan, Candace K.; Peng, Hailin; Liu, Gao; McIlwrath, Kevin; Zhang, Xiao Feng; Huggins, Robert A.; Cui, Yi (Jan 2008). «High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires». Nature Nanotechnology. 3 (1): 31–35.  doi:10.1038/nnano.2007.411. PMID 18654447.
  25. Ge, Mingyuan; Rong, Jiepeng; Fang, Xin; Zhang, Anyi; Lu, Yunhao; Zhou, Chongwu (2013-02-06). «Scalable preparation of porous silicon nanoparticles and their application for lithium-ion battery anodes». Nano Research. 6 (3): 174–181. doi:10.1007/s12274-013-0293-y.
  26. Wu, Hui; Yu, Guihua; Pan, Lijia; Liu, Nian; McDowell, Matthew T.; Bao, Zhenan; Cui, Yi «Stable Li-ion battery anodes by in-situ polymerization of conducting hydrogel to conformally coat silicon nanoparticles». Nature Communications. 4: 1943. Bibcode:2013NatCo…4.1943W. doi:10.1038/ncomms2941. ISSN 2041-1723. PMID 23733138.
  27. Higgins, Thomas M.; Park, Sang-Hoon; King, Paul J.; Zhang, Chuanfang (John); McEvoy, Niall; Berner, Nina C.; Daly, Dermot; Shmeliov, Aleksey; Khan, Umar (2016-03-22). «A Commercial Conducting Polymer as Both Binder and Conductive Additive for Silicon Nanoparticle-Based Lithium-Ion Battery Negative Electrodes». ACS Nano. 10 (3): 3702–3713. doi:10.1021/acsnano.6b00218. hdl:2262/77389. ISSN 1936-0851. PMID 26937766.
  28. Zhang, Xinghao; Wang, Denghui; Qiu, Xiongying; Ma, Yingjie; Kong, Debin; Müllen, Klaus; Li, Xianglong; Zhi, Linjie (2020-07-31). «Stable high-capacity and high-rate silicon-based lithium battery anodes upon two-dimensional covalent encapsulation». Nature Communications. 11 (1): 3826. doi:10.1038/s41467-020-17686-4. ISSN 2041-1723.
  29. Han, Binghong; Piernas Munoz, Maria; Dogan, Fulya; Kubal, Joseph; Trask, Stephen T.; Vaughey, John; Key, Baris (2019-07-05). «Probing the Reaction between PVDF and LiPAA vs Li7Si3: Investigation of Binder Stability for Si Anodes». Journal of the Electrochemical Society. 166 (12): A2396. doi:10.1149/2.0241912jes.
  30. Key, Baris; Bhattacharyya, Rangeet; Morcrette, M; Seznec, V; Tarascon, Jean Marie; Grey, Claire (2009-03-19). «Real-Time NMR Investigations of Structural Changes in Silicon Electrodes for Lithium-Ion Batteries». Journal of the American Chemical Society. 131 (26): 9239–49. doi:10.1021/ja8086278. PMID 19298062.
  31. Han, Binghong; Liao, Chen; Dogan, Fulya; Trask, Stephen; Lapidus, Saul; Vaughey, John; Key, Baris (2019-08-05). «Using Mixed Salt Electrolytes to Stabilize Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries via in Situ Formation of Li–M–Si Ternaries (M = Mg, Zn, Al, Ca)». ACS Applied Materials and Interfaces. 11 (33): 29780–29790. doi:10.1021/acsami.9b07270. PMID 31318201.
  32. Schroder, K; Alvarado, Judith; Yersak, T.A.; Li, J; Dudney, Nancy; Webb, L.J.; Meng, Y.S.; Stevenson, K.J. (2013-08-16). «The Effect of Fluoroethylene Carbonate as an Additive on the Solid Electrolyte Interphase (SEI)on Silicon Lithium-Ion Electrodes». Chemistry of Materials. 27: 5531–5542. doi:10.1021/acs.chemmater.5b01627.
  33. Heiskanen, Satu Kristiina; Kim, Jongjung; Lucht, Brett L. (16 October 2019). «Generation and Evolution of the Solid Electrolyte Interphase of Lithium Ion Batteries». Joule. 3 (10): 2322–2333. doi:10.1016/j.joule.2019.08.018. Retrieved 17 November 2021.
  34. Yoon, Taeho; Milien, Mickdy S.; Parimalam, Bharathy S.; Lucht, Brett L (4 April 2017). «Thermal Decomposition of the Solid Electrolyte Interphase (SEI) on Silicon Electrodes for Lithium Ion Batteries». Chemistry of Materials. 29 (7): 3237–3245. doi:10.1021/acs.chemmater.7b00454. Retrieved 17 November 2021
  35. Birkl, Christoph R.; Roberts, Matthew R.; McTurk, Euan; Bruce, Peter G.; Howey, David A. (15 February 2017). «Degradation diagnostics for lithium ion cells». Journal of Power Sources. 341: 373–386. doi:10.1016/j.jpowsour.2016.12.011.
  36. Tasaki, Ken; Kanda, Katsuya; Nakamura, Shinichiro; Ue, Makoto (17 October 2003). «Decomposition of LiPF6and Stability of PF 5 in Li-Ion Battery Electrolytes: Density Functional Theory and Molecular Dynamics Studies». Journal of the Electrochemical Society. 150 (12): 1628. doi:10.1149/1.1622406. 
  37. Benitez, Laura; Seminario, Jorge M. (18 August 2016). «Electron Transport and Electrolyte Reduction in the Solid-Electrolyte Interphase of Rechargeable Lithium Ion Batteries with Silicon Anodes». The Journal of Physical Chemistry. 120 (32): 17978–17988. doi:10.1021/acs.jpcc.6b06446. 
  38. Zhang, Chengzhi; Wang, Fei; Han, Jian; Bai, Shuo; Tan, Jun; Liu, Jinshui; Li, Feng (2021). «Challenges and Recent Progress on Silicon-Based Anode Materials for Next-Generation Lithium-Ion Batteries». Small Structures. 2 (6). doi:10.1002/sstr.202100009. 

Suchkonsole

Aktuelle Wiki Battery Artikel

Prosumer-&-Prosument LOGO
Wiki

Was ist eine Prosumer? (Prosument)

Was ist ein Prosumer? (Prosument) Wiki Battery – Batterien & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Was ist ein Prosumer? (Prosument) Was ist ein Prosumer? Prosumers (Prosumenten) sind also Leute oder Teilhaber, die ein bestimmtes Gut oder einen

Mehr dazu »
Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid--NCA--als-Kathodenmaterial-in-akkumulatoren-160x160---Wiki-Batterie---Wikibattery.org
Batterie

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als Kathodenmaterial

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als Kathodematerial Wiki battery – BATTERIEN & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA) als Kathodenmaterial Einführung NCA Kathode Ungefähre Summenformel: Li-(NiCoMn)O2 Allgemein zu NCA-Lithium-Ionen-Batterien Die Lithium–Nickel–Kobalt-Aluminium-Oxide (NCAs) sind eine Gruppe von Mischmetalloxiden. Einige von

Mehr dazu »
Arten und Kategorien von Energiespeicher und Energiespeicherung-Wiki-Battery-WikiBattery.org
Wiki

Arten der Energiespeicher & Energeiespeicherung

Typen Energiespeicher & Energiespeicherung Wiki Battery – Batterien & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Energiespeicher und Energiespeicherung Suchkonsole Arten und Kategorien von Energiespeicher und Energiespeicherung-Wiki-Battery-WikiBattery.org Liste der Energiespeicher-Technologien Was sind Energiespeicher? Unter Energiespeicherung versteht man das Auffangen

Mehr dazu »
Nickel-Rohstoff-der-Elektromobilität
WikiBattery

Nickel – Rohstoff der Elektromobilität 2030

Nickel – Rohstoff der Elektromobilität 2030 Wiki Battery – Batterien & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Suchkonsole Nickel – Rohstoff der Elektromobilität 2030 Element-Nickel-Rohstoff–Wiki-Battery-Wikibattery Kapitel Nickel – Inhaltsverzeichnis Was ist

Mehr dazu »
Arten, Typen & Klassen-der-Elektrofahrzeuge---e-mobilität--Klassifizierung-und-Familien-160x160-WikiBattery--Wikibattery.org
Akademie

Arten, Typen & Klassen der Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge – Typen wiki battery – Enzyklopädie der Batterien WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Arten, Typen & Klassen der Elektrofahrzeuge Familie & Arten der Elektrofahrzeuge Es gibt viele Arten & Typen von Elektrofahrzeugen – manche noch mit Verbrennungsmotor,

Mehr dazu »
Lithium Dendrite-Grow-in-Batteries
Akademie

Dendriten & Whisker in Batterien

Dendrite und Whisker in Batterien WIKI BATTERY – BATTERIEN & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKI BATTERY Dendrite in Batterien Dendrite und Whisker in Lithium-Ionen Batterien Dendriten und Whisker sind winzige, starre baumartige Strukturen, die im Inneren einer Lithium-Ionen Batterie wachsen können;

Mehr dazu »
LCO--Lithium-Kobalt-Oxid als Kathoden im Akkumulator-Wiki-Battery-auf-www.wikibattery.org
Akademie

Lithium-Kobalt-Oxid (LCO)

Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) Wiki Battery – Batterien & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) als Kathode in Lithium-Ionen Akkus Ungefähre Summenformel: LiCoO2 Lithium-Kobalt-Oxid (Lithiumkobaltoxid) LCO gewährleistet eine verhältnismässig kleine Lebensdauer (500 bis 1.000 Zyklen) und

Mehr dazu »
Kathoden in Batterien
Akademie

Was ist eine Batterie-Kathode?

Batterie-Kathode Wiki Battery – Batterien & Energiespeicher WIKI BATTERY WIKIBATTERY.ORG – BATTERIEN & ENERGIESPEICHER Was ist eine Kathode (Batterie-Kathode)? Eine Batterie-Kathode ist eine Elektrode, an der Reduktionsreaktionen stattfinden, bei denen Atome Elektronen freigesetzt werden. Negativ geladene freie Elektronen fliessen als

Mehr dazu »

WIKIBATTERY.ORG

Wiki Battery ist eine Enzyklopädie für Batterie-Technologien, die Fachbegriffe aus dem Gebiet der Batterien einfach und verständlich erklärt.
Mehr über Wiki Battery findest du hier.

WikiBattery - WIKI Battery - WIKI für Energiespeicher und Batterien

Newsletter

Willst du Updates über alle unsere Tätigkeiten? Trag dich für den vierteljährlichen Newsletter ein.

Diese Seite ist urheberrechtlich geschützt © 2023-2033 – www.WikiBattery.org – Datenschutzbestimmungen Nutzungsbedingungen