Creatief verpakt in koolstofschilletjes wordt silicium pas echt goed bruikbaar als anode in een lithium-ion-accu. Stanford-onderzoekers lieten zich inspireren door granaatappels om op dit idee te komen, schrijven ze in Nature Nanotechnology.

Tot nu toe valt de bruikbaarheid van dat silicium nogal tegen. Bij het opladen van een Li-ion-accu vult de anode zich met Li⁺-ionen, die daarbij veranderen in ongeladen Li-atomen. Silicium kan in theorie tienmaal zo veel van die atomen opnemen als een even grote koolstofanode, zodat de capaciteit van de accu navenant toeneemt. Alleen zwelt dat silicium daarbij op tot driemaal zijn oorspronkelijke volume. Als je geen maatregelen neemt, heeft een siliciumanode dus maar een paar laad- en ontlaadcycli nodig om zichzelf volledig uit elkaar te wrikken.

Verklein je het silicium tot nanodeeltjes op een inerte drager, dan is dat wrikken niet meer zo’n punt. Maar dan loop je op tegen het probleem dat de vloeibare elektrolyt van zo’n accu deels bestaat uit organische stoffen. De optredende potentiaalverschillen zijn groot genoeg om die te laten ontleden, waarna de resten als een soort roet neerslaan op de anode. Dat kan op zich niet zoveel kwaad, maar omdat de nanodeeltjes nog steeds uitzetten en krimpen ontstaan er telkens scheuren in de roetlaag. Die vullen zich met nieuw roet en hierdoor wordt de laag steeds dikker.

Op Stanford hebben ze nu iets bedacht dat alle problemen tegelijk zou moeten oplossen. Ze gaan uit van silicium-nanodeeltjes. Die voorzien ze eerst van een laagje siliciumoxide, van een uitgekiende dikte. Ze dispergeren ze in water, waar ze vervolgens een water-in-olie-emulsie van maken met in elk waterdruppeltje een klein aantal van die nanodeeltjes. Als ze vervolgens de vloeistof laten verdampen, klonteren die nanodeeltjes vanzelf samen tot clusters die allemaal ongeveer even groot zijn.

Op het oppervlak van die clusters laten ze een resorcinol-formaldehydehars polymeriseren, zó dat elk bolletje wordt voorzien van een sluitend kunstharshuidje terwijl rond de buitenkant van het cluster een nog wat dikkere huid ontstaat. Vervolgens verkolen ze de hars bij 800 graden, onder een inerte argon-atmosfeer, zodat de huidjes pure koolstofhuidjes worden die elektriciteit geleiden en poreus genoeg zijn om - bijvoorbeeld - lithiumionen door te laten.

Tot slot behandelen ze het resultaat met waterstoffluoride, een sterk zuur dat de siliciumoxide wegvreet maar de rest intact laat.

Resultaat: micro-koolstofbolletjes, gevuld met silicium-nanodeeltjes die los in de koolstofstructuur liggen en precies genoeg ruimte hebben om lithium te slurpen en op te zwellen. De koolstof zwelt zelf niet of nauwelijks, en het roetlaagje komt alleen op de buitenhuid terecht en blijft dun.

De onderzoekers hebben anodes gemaakt door dit poeder (want zo ziet het er uit) te vermengen met de kunststof polyvinylideenfluoride (PVDF). Het leverde een accu op die na duizend laadcycli nog op 97 procent van zijn begincapaciteit zat. Die capaciteit bedroeg 1,160 mAh/g, driemaal de theoretische capaciteit van koolstof.

Wel wordt toegegeven dat de materiaalkosten nog aan de hoge kant zijn voor commerciële toepassingen. Ook wordt de laadcapaciteit nog gedrukt doordat er te veel lithium blijft ‘hangen’ in de koolstofstructuur.

bron: Nature Nanotechnology