Mikrovågsassisterad syntes av kisel-grafenkompositer för högpresterande litiumjonbatterier
Resultat
Kisel kan avsevärt öka lagringskapaciteten i litiumjonbatterier (LIB). Den dåliga elektriska ledningsförmågan hos kisel och en mycket stor volymexpansion av kisel vid upptagande av litium har dock begränsat användningen av kisel i litiumjonbatterier. En intensiv forskningsansträngning i denna fråga har lett till många nanokompositer med hög lagringskapacitet. Men många av dessa lösningar tillåter inte billiga industriella implementeringar. Vi har demonstrerat en metod där vi kunde omvandla cirka en tredjedel av kiselpulver till kiselnanopartiklar genom en termisk uppvärmningsprocess. Denna metod kan vara skalbar.
I förstudien har vi föreslagit att använda den kontrollerade mikrovågsuppvärmningen istället för termisk uppvärmning för att öka effektiviteten av omvandlingen av kiselpulver till kiselnanopartiklar och minska bearbetningstiden.
I denna förstudie har PercyRoc och Uppsala universitet skapat ett mikrovågsvärmesystem och visat kontrollerbar uppvärmningsförmåga upp till 900 grader C för att öka effektiviteten av omvandlingen av kiselpulver till kiselnanopartiklar och minska bearbetningstiden. Denna temperatur kan nås på några sekunder tack vare att man använder ett direkt mikrovågsapplikatorsystem som utvecklades under förstudieprojektet och som stödjer detta projekt.
Målet att förverkliga ett kontrollerbart mikrovågsuppvärmningsinstrument har uppfyllts. Mittuniversitetet (MIUN) har tillsammans med PercyRoc och Uppsala universitet inlett ett nytt samarbete med den nya partnern Altris och ansökt om ett fullständigt FoU-projekt där denna teknik skulle kunna skalas upp och leda till en kommersiell exploatering i Altris-batterier.
Huvudresultatet i projektet relaterat till grafen är att användningen av grafen i kombination med kisel kan ge en hög prestanda i Li-ion-batterier.
Grafit är det konventionella anodmaterialet i litiumjonbatterierna och har många fördelar. Men för att öka lagringskapaciteten behöver man använda kisel som har mycket högre Li-ion lagringskapacitet. Men enbart kisel kan inte användas i anoden eftersom kisel har flera nackdelar såsom låg konduktivitet. Men en liten mängd nanokisel kan läggas till grafenanoden för att öka lagringskapaciteten. Grafen är en potentiell kandidat i kombination med nanokisel som anod i Li-ion-batterier.
MIUN har universitets- och industripartners och vi har experter som arbetar inom detta område.
Abstract in English Microwave assisted synthesis of silicon-graphene composites for high performance lithium-ion batteries
Results
Silicon can significantly increase the storage capacity in lithium-ion batteries (LIB). However, the poor electrical conductivity of silicon and a very large volume expansion when lithiated have limited the use of silicon in lithium-ion batteries. An intensive research effort on this question has led to many high storage capacity nanocomposites. But many of these solutions will not allow low-cost industrial implementations. We have demonstrated a method wherein we were able to convert approximately 1/3rd of silicon powder to silicon nanoparticles by a thermal heating process. This method can be scalable.
In the pre-study, we have proposed to utilize the controlled microwave heating instead of thermal heating in order to increase the efficiency of conversion of silicon powder to silicon nanoparticles and reduce the processing time.
In thispPre-study, PercyRoc, and Uppsala University have established the microwave heating system and demonstrated controlled heating capabilities up to 900 degrees Celsius in order to increase the efficiency of conversion of silicon powder to silicon nanoparticles and reduce the processing time. This temperature can be reached in a few seconds, thanks to using a direct microwave applicator system that was developed during the pre-study project, supporting this project.
The objective of realizing a controlled microwave heating instrument has been fulfilled.
Mid Sweden University (MIUN) along with the PercyRoc and Uppsala University has started a new collaboration with the new partner Altris and applied for a full R&D project where this technology could be scaled up and lead to a commercial exploitation in Altris batteries.
Another objective of the project was to test the feasibility of the microwave heating instrument on larger volumes. Initial experiments were carried out and were shown to be promising. Further scale-up studies are left for future projects, where we hope to validate the effectiveness of the system over traditional tube furnace heating systems.
The main insight of the project related to the graphene is that the use of graphene in combination with silicon can give a high-performance in Li-ion batteries.
Graphite is the conventional anode material in the lithium ion batteries with many advantages. But in order to increase the storage capacity, one needs to use the silicon which has much higher Li-ion storage capacity. But silicon cannot be used independently as anode because it has several disadvantages such as low conductivity. However, a small amount of nanosilicon can be added to the graphene anode to increase the storage capacity. Graphene is a potential candidate in combination with nanosilicon as an anode in Li-ion batteries.
MIUN have university and industry partners and we have experts working in this field.
