Überwinden Sie das „Aufgeblähtsein“! Silizium und Kohlenstoff „laufen in beide Richtungen“! „Kleiner“ Akku enthält viel Energie?

□ Zhang Yingxian, Reporter der Popular Science Times

In letzter Zeit ist das Thema „Zhang Chaoyang spricht über die zukünftige Entwicklung von Handy-Akkus“ zu einem heiß gesuchten Thema geworden. Der Akku eines Mobiltelefons wirkt sich direkt auf das Benutzererlebnis aus. Zhang Chaoyang erwähnte, dass die Energiedichte von Silizium-Kohlenstoff-Batterien mit negativer Elektrode im Vergleich zu herkömmlichen Graphitbatterien um Größenordnungen erhöht werden könne. Was ist Silizium-Kohlenstoff-Anodenbatterietechnologie? Welche Vorteile bietet die Verwendung von Silizium-Kohlenstoff-Batterien mit negativer Elektrode in Mobiltelefonen und Autos? Der Reporter hat hierzu ein Interview geführt.

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Silizium und Kohlenstoff „laufen in beide Richtungen“

Auf Reisen macht sich fast jeder Sorgen um den Akku seines Handys. Derzeit sind die meisten der von uns verwendeten Handy-Akkus Lithium-Ionen-Akkus. Für unser bloßes Auge unsichtbar laufen in der Batterie schnelle chemische Reaktionen ab.

„Lithium-Ionen-Batterien haben den Spitznamen ‚Schaukelstuhlbatterien‘. Beim Laden treten Lithiumionen aus der positiven Elektrode aus und laufen zur negativen Elektrode; beim Entladen treten Lithiumionen aus der negativen Elektrode aus und laufen zur positiven Elektrode.“ Gao Peng, Doktorand und außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften am Harbin Institute of Technology, erklärte gegenüber Science Times, dass die Lithiumspeicherkapazität der positiven und negativen Elektroden sehr wichtig sei, da sie bestimme, wie viel Energie eine Lithium-Ionen-Batterie speichern könne.

Als wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien können hochkapazitive negative Elektrodenmaterialien die Energiedichte der Batterie wirksam verbessern. Derzeit bestehen die negativen Elektroden der gängigen Lithiumbatterien auf dem Markt alle aus Graphitmaterialien, aber nach Jahrzehnten der Entwicklung liegt die spezifische Kapazität von Graphitmaterialien sehr nahe an der theoretischen Grenze. Daher hat die kontinuierliche Verbesserung der Leistung negativer Graphitelektroden nur sehr begrenzte Auswirkungen auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Man hat herausgefunden, dass Silizium eine viel höhere Lithiumspeicherkapazität hat als Graphit.

Bei der Diskussion des Themas „Chinas führende Mobiltelefontechnologie aus physikalischer Sicht betrachten“ erklärte Zhang Chaoyang, dass in Graphit sechs Kohlenstoffatome ein Lithiumion enthalten, ein Siliziumatom jedoch fast vier Lithiumionen enthalten kann. Die Lithiumspeicherkapazität von Siliziummaterialien ist mehr als zehnmal so hoch wie die von Kohlenstoffmaterialien. Wenn der Batterie Siliziummaterial hinzugefügt wird, kann die Energiedichte daher um eine Größenordnung erhöht werden.

Ist es also besser, mehr Silikonmaterial zu verwenden? Während des Lade- und Entladevorgangs ist die Volumenausdehnung von Silizium sehr stark. Beim Einbetten von Lithiumionen dehnt sich das Volumen des Siliziums aus, und beim Entfernen der Lithiumionen schrumpft es, wobei die maximale Ausdehnung 300 % beträgt. Nach vielen Zyklen bricht und pulverisiert das Siliziummaterial, was zu einer Leistungsminderung führt. Gao Peng räumte ein, dass eine geringe elektrische Leitfähigkeit und ein relativ großer Widerstand der Stromleitung nicht förderlich seien, was ebenfalls eines der Probleme von Siliziummaterialien sei.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Kohlenstoffmaterialien die Mängel von Siliziummaterialien ausgleichen können. Deshalb kombinierten sie Silizium und Kohlenstoff, um Silizium-Kohlenstoff-Materialien für negative Elektroden mit hoher Leitfähigkeit und geringer Volumenausdehnungsrate herzustellen.

Batteriekapazität um 20 % erhöht

Als neuartige Batteriematerialtechnologie wurde die Silizium-Kohlenstoff-Technologie für negative Elektrodenmaterialien zunächst für Autobatterien eingesetzt und anschließend von Mobiltelefonherstellern in deren Mobiltelefonbatterien verwendet.

„Aktuelle Kohlenstoffmaterialien bestehen alle aus kleinen Mikrokügelchen mit Durchmessern von mehreren hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern. Bei Silizium hingegen gilt: Je kleiner die Partikel, desto besser. Denn je größer die Siliziumpartikel sind, desto leichter brechen sie, und je kleiner die Partikel sind, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sie brechen. Um das Brechen der Siliziumpartikel zu verhindern, versucht man daher, sie so klein wie einige zehn Nanometer zu machen. Dieses Verfahren wird als Nanosilizium bezeichnet“, erläuterte Gao Peng.

Es gibt viele Möglichkeiten, Silizium und Kohlenstoff zu verbinden. Derzeit gibt es zwei Haupttechnologien, die beliebt sind. Eine besteht darin, die Oberfläche von Silizium-Mikrokügelchen mit Kohlenstoff zu beschichten, die andere darin, Siliziumpartikel in porösen Kohlenstoff einzubetten oder Silizium in porösem Kohlenstoff abzulagern.

Gao Peng führte aus, dass der Siliziumanteil im aktuellen Silizium-Kohlenstoff-Material für negative Elektroden nicht zu hoch sein dürfe, um eine Volumenausdehnung zu verhindern. Die Lithiumspeicherkapazität ist etwa doppelt so hoch wie die der aktuellen negativen Kohlenstoffelektrode. In Kombination mit der hochenergetischen positiven Elektrode kann die Gesamtenergiedichte der Batterie um etwa 20 % erhöht werden. Mit anderen Worten: Bei Mobiltelefonen oder Elektroautos können Batterien der gleichen Größe 20 % mehr Leistung speichern, was die Batterielebensdauer erheblich verbessert.

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass Silizium-Kohlenstoff-Negativelektrodenmaterialien im Vergleich zu Graphit-Negativelektrodenmaterialien eine bessere Zyklenstabilität bei niedrigen Temperaturen aufweisen. Daher kann die Verwendung von Silizium-Kohlenstoff-Negativelektrodenmaterialien dazu beitragen, die Leistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen zu verbessern und auch das häufige Problem des Leistungsverlusts bei Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen im Winter zu verringern. „Die Silizium-Kohlenstoff-Negativelektrodentechnologie befindet sich noch in der Entwicklung. Mit dem technologischen Fortschritt wird sich in Zukunft der Siliziumanteil in Silizium-Kohlenstoff-Negativelektrodenmaterialien erhöhen, was zu einer Leistungssteigerung der Batterien führen kann.“ Gao Peng stellte vor.