Mikrovågsassisterad syntes av kisel-grafenkompositer för högpresterande litiumjonbatterier

Syfte och mål 

Kisel i litiumjonbatterier (LIB) kan avsevärt öka lagringskapaciteten. Emellertid har användningen av kisel begränsats av den dåliga elektriska ledningsförmågan och den mycket stora volymutvidgningen i kombination med litium. Idag har kommersiella batterier bara 3–7% kisel i sina anoder på grund av dessa begränsningar. Ett intensivt forskningsarbete har lett fram till många nanolösningar med potential, dock blir många av lösningarna inte tillräckligt kostnadseffektiva för industriella implementeringar.  

Detta forsknings- och innovationsprojekt arbetar vidare med ett proof-of-concept, från ett tidigare SIO Grafen-projekt, med en ny kisel-grafenkomposit som är lämplig för storskalig produktionProduktionsmetoden innefattar uppvärmning av en kompositblandning av kiselpulver och grafen. På grund av den uppvärmningsprocessen omvandlas kiselpulver till nanokisel. I vårt senaste resultat kunde vi konvertera cirka 33% kiselpulver till kiselnanopartiklar. För att ytterligare förbättra nanokompositens kommersiella användning behövs arbete för att förbättra omvandlingen av kiselpulver till nanopartiklar och även optimering av uppvärmningsprocessen. En lösning är att använda mikrovågsuppvärmning istället för termisk uppvärmning. Även om mikrovågor är beprövade i andra applikationer är de för helt nya och otestade för användningen i denna förstudie. Samarbete som inletts med Percy Roc kan möjliggöra en grön process med mindre koldioxidutsläpp och hög energieffektivitet. Resultaten från förstudie kommer att användas för att attrahera ytterligare partner till ett fullständigt FoU-projekt. 

Projektmålet kopplas till SIO Grafens vision för 2030 att Sverige ska vara ett av världens tio bästa länder på att använda grafen för industriellt ledarskap inom energiområdet. De deltagande parterna i projektet har potential att producera den nya elektrodkompositen, vilket kommer undersökas i detta projekt. 

Abstract in English

Microwave assisted synthesis of silicon-graphene composites for high performance lithium-ion batteries

Silicon in lithium-ion batteries (LIB) can significantly increase their storage capacity. However, the poor electrical conductivity of silicon and a very large volume expansion when lithiated have limited the use of silicon. Today commercial batteries only have 3-7% of silicon in their anodes, due to these limitations. An intensive research effort on this question has led to many high capacity nanosolutions. However, many of these solutions will not allow low-cost industrial implementations.

In our current FOI project, we are working on a proof-of-concept of a novel silicon-graphene composite suitable for large-scale production from an earlier SIO grafen project. The production method for proof-of-concept novel nanocomposite involves thermal heating of a composite mixture of silicon powder and graphene. Due to the thermal heating process, silicon powder gets converted into nanosilicon. In our recent breakthrough, we were able to convert approximately 33% of silicon powder to silicon nanoparticles by a thermal heating process. To further improve the commercial feasibility of the nanocomposite, work is needed to be done to improve the conversion efficiency of silicon powder to nanoparticles and also optimization of the heating process. One probable solution is to utilize computer-assisted microwave heating instead of thermal heating. Microwaves although proven in other applications, is currently completely new and untested for the usage we propose in this pre-study, and the collaboration initiated with Percy Roc, would allow realizing a green process, with less CO2 emissions and high energy efficiency. Results from this pre-study will be used to attract partners and to set up a full R&D project

The project goal connects to the SIO Grafens vision for 2030 that Sweden will be one of the world's ten top countries to use graphene to create an industrial position within the energy area. The participating actors of this project also have the potential of producing this new electrode composite by themself and will be fully investigated in this project.

Utlysning:
Samverkan kring kommersiella grafentillämpningar, hösten 2020

Projektpartners: Mittuniversitetet, Percy Roc, Uppsala universitet

Projektledare: Manisha Phadatare, Mittuniversitetet

Projektform: Genomförbarhetsstudie

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: 15 februari 2021 – 15 augusti 2021

Relaterade projekt:
Grafen Energi (avslutat)

Relaterade styrkeområden: