Fig. 1 Fabricação de eletrodo com limalha de Si / compósitos de folha de grafite (crédito:Universidade de Osaka)
As baterias de íon-lítio (LIBs) são amplamente utilizadas em eletrônicos móveis. As preocupações com o aquecimento global e as mudanças climáticas aumentaram recentemente a demanda por LIBs em veículos elétricos e suavização da produção solar fotovoltaica. O Si foi estudado como um material ativo com alta capacidade teórica de 3578 mAh / g, que é cerca de dez vezes superior ao da grafite (372 mAh / g).
Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Osaka usou nanopó de Si em forma de floco envolto em folhas de grafite ultrafinas (GSs) para fabricar eletrodos LIB com alta capacidade de área e densidade de corrente.
Geralmente tratado como resíduo industrial, A limalha de Si é gerada a uma taxa de 100, 000 toneladas por ano globalmente a partir de lingotes de Si que são produzidos a partir de sílica por meio de processos a 1000 ~ 1800 ° C. Refrigerantes à base de água e serras de arame de grãos abrasivos fixos estão abrindo o caminho para o uso de limalhas de Si como um material ativo de ânodo com alta capacidade e custo reduzido.
Materiais de nanocarbono foram aplicados a eletrodos de Si para melhorar a condutividade elétrica e a ciclabilidade. Muitas estratégias para lidar com grandes mudanças de volume de eletrodos de Si a custos relativamente altos foram demonstradas. Contudo, os eletrodos de Si não combinam todos os requisitos para alto desempenho do eletrodo, ou seja, custo reduzido, compatibilidade ambiental de materiais e processos, e economia circular.
Fig. 2 Imagem do microscópio eletrônico de transmissão de compósitos de limalha de Si / folha de grafite (crédito:Alterada parcialmente da figura original com CC BY 4.0.)
"Neste estudo, Compósitos de folha de Si / grafite de limalha de Si e grafite expandida são usados como o material ativo com custo e orçamento térmico reduzidos (Fig. 1). O nanopó de Si é disperso e envolvido entre GSs fabricados a partir de grafite expandida (Fig. 2), "explica o primeiro autor Jaeyoung Choi." As pontes GS são formadas através das rachaduras e suprimem a rachadura e descolamento do Si. GSs aglomerados envolvem compósitos de Si / GS, e funcionam como estruturas estáveis que protegem os caminhos do eletrólito e os espaços de buffer para a alteração do volume de Si. "
A estrutura composta de Si / GS e a limitação de delitiação melhoram a ciclabilidade em até 901 ciclos a 1200 mAh / g. A capacidade de delitiação de área e densidade de corrente dos eletrodos de Si / GS aumentam linearmente para 4 mAh / cm 2 e 5 mA / cm 2 , respectivamente, com o carregamento de massa por mais de 75 ciclos (Fig. 3), enquanto eletrodos grossos com Si revestido com C fabricado em C2H4 não são competitivos.
Fig. 3 Desempenho do ciclo do eletrodo grosso com compósitos de limalha de Si / folha de grafite (GS) e Si revestido com C. Si revestido com C foi fabricado em C2H4 a 1000 ° C. (crédito:CC BY 4.0.)
“Baterias de ânodo de Si com alta capacidade e alta densidade de corrente têm potencial para serem utilizadas em veículos elétricos. combinado com o aumento da geração de limalhas de Si como resíduo industrial, permitirá que nosso trabalho contribua para a redução das emissões de gases de efeito estufa e o cumprimento dos ODS, "diz o autor correspondente Taketoshi Matsumoto.
