Litiozko ioi-baterien (LIB) arrakasta izugarria gailu horien energia- eta potentzia-dentsitate handian oinarritzen da, espero den bizitza baliagarri luze batekin, segurtasun handi samarrarekin eta kostu eskuragarriarekin batera. Anodoari dagokionez, grafenoa BGLen garapenaren lehen faseetan sartzeak egungo BGLen errendimendu bikaina bermatu du.
Teknologia honek aurrerapen handiak izan dituen arren, bada funtsezko gai bat jorratu behar dena: LIBek energia gehiago hornitu behar dute denbora laburragoan, batez ere automobilgintzako aplikazioetan. BGLen merkatuaren egungo eta etorkizuneko beharrak asetzeko, silizioa material anodiko itxaropentsu gisa kokatzen ari da, ahalmen handia duelako.
Abantailak eta erronkarik handiena
Silizioak litioarekin duen erreakzio-mekanismoa aleazio intermetalikoaren bidezkoa da, eta erreakzio horren izaerak aukera ematen dio silizioari grafitoak baino ia hamar aldiz ahalmen handiagoa (3600 mAh/g) emateko (372 mAh/g), pisu berarekin, eta horrek, zalantzarik gabe, bateriaren dentsitate energetikoa handitzea dakar. Izan ere, silizioz egindako anodoak erabiliz gero, energia-dentsitatea nabarmen hobetu liteke, balio errealen % 30ean gutxienez.
Hori kontuan hartuta, anodo-fabrikatzaileak silizioa sartzen ari dira elektrodoetan, baina pisu-portzentaje nahiko baxuetan, % 3tik % 8ra bitartekoetan, bateria ziklortzean silizioak dituen konplexutasunengatik: silizio-partikulek bolumen aldaketa izugarriak izaten dituzte, hau da, bolumenaren % 300erainoko hedapena (grafitoaren kasuan, berriz, % 13koa da). Horrek hainbat arazoren domino-efektua eragiten du, hala nola, elektrodoaren haustura mekanikoa aleazio- eta deelikadura-erreakzioan, partikulen deskonexioa, korronte-kolektoreko partikulen askatzea, partikulen lainoztatzea eta interfase elektrolitiko solidoaren (SEI) haustura, elektrolitoaren eraginpean gainazal fresko berrien esposizioa eragiten duena, Li+ gehiago kontsumituz etengabe SEI eraberritzeko.
Emaitza, beraz, egitura nabarmen narriatua duen elektrodo bat da, eraginkortasun koulombiko baxua, gaitasunaren zorabio nabarmena eta, ondorioz, errendimendu eskasa dakarrena, eta horrek bateriaren bizitza erabilgarria murrizten du.
Silizio-anodoak CIC energiGUNEn
CIC energiGUNEk esperientzia handia du silizioan oinarritutako anodoetan, bai konposatuen prestaketan, bai elektrodoen formulazioan eta fabrikazioan, bai post-mortem analisian. Izan ere, CIC energiGUNEk argitalpen zientifikoak egin ditu, silizio-eduki handiko anodoen inplementazioari buruzko merezimenduzko emaitzak erakusten dituztenak (30-40 portzentaje silizio-pisuan elektrodo-mailan). Argitalpen horietako batean, silizioan oinarritutako anodo autosostengatzaileak fabrikatu eta esploratu ziren (silizioarekin murriztutako grafeno oxidoa, % 40 Siren pisuan), ziklo-egonkortasun handia erakutsiz (750 mAh/g-tik 0,05 A/g-ra). Beste argitalpen batean, silizio-grafenozko elektrodo konposatuak prestatzeko ikuspegi erraza, kostu txikikoa eta erraz eskalatzeko modukoa erakutsi zen ( % 30 Siren pisuan), 850 mAh/g-ko gaitasun-balio egonkorrak 0,25 A/g-ko tasan eta 770 mAh/g-ko gaitasun bikaina 5 A/g-ko tasan erakutsi zituztenak, eta mikroegituraren eta elektrodoaren diseinuaren garrantzia nabarmendu zen. Ondoren, silizioz eta grafitoz osatutako elektrodoa potentzia handiko litio-ionezko bateria batean integratu zen, eta horrek zikloetan funtzionatu ahal izan zuen 5C-ko tasa benetan altuan, elektrodoen eta elektrolitoaren ia degradaziorik gabe.
2018az geroztik, CIC energiGUNEk silizioan oinarritutako anodoekin lotutako hainbat proiektutan parte hartu eta saritu du finantzaketarekin: bat ELKARTEK programaren barruan (Eusko Jaurlaritzak sortua), hiru industriak sortuak, eta sei proiektu Europako deialdien esparruan (Graphene Core2-Spearhead, 3beLiEVe, CoFBAT, HighSpin, NextCell eta GIGAGREEN).
Silizio-anodoetan jada aplikatutako estrategiak
Orain, arreta berezia eskaintzen zaie anodo horien bolumen-aldaketak arintzeko hiru ikuspegiri: nanoegituraketari, ur-oinarriko aglutinatzaile berriei eta aurrelitiazioari.
Nanoegituraketari dagokionez, nanohariak ohiko morfologia lauen eta biribilen alternatiba ona dira, bolumen-aldaketak ia hutsalak baitira, hari-morfologiak erakusten duen deformazioa erraz erlaxatzen delako. Gainera, nanokableek elektroien garraio eraginkorra eta korronte-kolektorearekin kontaktu oso ona ere badute. Amprius edo OneD bezalako enpresa batzuk teknologia hori bultzatzen ari dira dagoeneko.
Aglutinatzaileei dagokienez, jakina da funtsezko zeregina betetzen dutela. Ikertzaileek CMC erabiltzen dute, eta batzuetan CMC tanpoi soluzioekin konbinatzen da. Hala ere, konponbide tanpoiaren onurak anbiguoa eta ez oso argia izaten jarraitzen du. Gaur egun, arreta jartzen zaie autobirsorkuntzako eta elastikotasun handiko aglutinatzaileei.
Aglutinatzaile autokonpongarriek kalte mekanikoak konpon ditzakete, baina eroankortasun ioniko txikia eta itsaspen-indar txikia dute; aldiz, oso elastikoek bolumen-aldaketak arindu ditzakete eta itsaspen-indar ona dute. Adibidez, Tesla Bateriaren Egunean ioi-eroale polimeroen estaldura elastikoak iradoki ziren silizio anodoen gainazala egonkortzeko.
Aurrelitiazioa pila beteetako litio-inbentarioa konpentsatzeko ikuspegi erakargarria da; hala ere, ikertzen jarraitu behar da, ekoizpen praktikoan eraginkortasun eta segurtasun ona lortzeko.
Funtsean, hiru pelitizazio mota daude: elektrokimika, mekanika eta kimika. Elektrokimika laborategietara bideratuagoa dago. Mekanikak elektrodoek inguruneko hezetasunarekiko duten sentikortasunari lotzen dio, eta, beraz, egungo ekoizpen-lerroak ordezkatu behar dira (horrek, aldi berean, kostua handitzen du, baita litio-baliabideak alferrik galtzea ere).
Azkenik, autoprelitizazio kimikoak ez du heldutasun maila altua lortu; gainera, sakrifizio-gatzak literatura-aurreko eragile gisa erabiltzeak kantitate handiak eskatuko ditu, eta horrek bateriaren dentsitate energetikoa murriztuko du. Bitxia bada ere, Enovix, 3D arkitekturako silizio-anodoekin lan egiten duena, aurrelitiazioaren ikuspegia erabiltzen duen enpresa baten adibidea da, fabrikazio-prozesuan aplikatzen dena.
