Siproco Fobeliba – say what?

Siproco Fobeliba høres ut som et eller annet rart språk, og det er på en måte det. Jeg har skjønt at de fleste forskningsprosjekter har slike rare akronym-liknende navn. SIlicon PROduction COntrol FOr BEtter Lithium Ion BAtteries står det for, og dreier seg rett og slett om å finne ut av hvordan vi kan bruke silisium til å øke kapasiteten i litiumionebatterier, det mest brukte oppladbare batteriet på markedet. I dette forskningsprosjektet (som er sponset av Forskningsrådets EnergiX-program) jobber forskere fra Sol-, Fysikk- og Energisystemavdelingene sammen for å utforske ulike aspekter av «silisium-som-anode»-temaet. Om du ønsker en liten innføring i hvordan litiumonebatterier fungerer kan du lese denne flotte artikkelen fra aftenposten: Slik fungerer batteriet som endret verden, før du leser videre her. Og for en måned siden var NRK på besøk på batterilaben vår (!), og her kan du se både veilederen min, Trygve Mongstad, snakke om hva silisium kan bety for energimarkedet og forsker (min batteriguru numero uno) Hanne Flåten Andersen jobbe på laben: NRK Dagsrevyen – Lager fremtidens batterier.

Jeg jobber med en ganske håndfast del av prosjektet, som går ut på å bearbeide silisium nanopartikler slik at de tåler å bli brukt som en litium-svamp i batteriet uten at materialet blir ødelagt i opp- og utladningsprosessen. For grunnen til at silisium er så mye bedre enn det som brukes nå (grafitt), er at strukturen til silisium fungerer som en skikkelig bra svamp. Det trekker til seg Li-ioner slik en tørr svamp drar til seg vann, og utvider seg i prosessen. Hele 300% faktisk! Da blir partiklene tre ganger så store som de vanligvis er! Når ionene går i skytteltrafikk mellom elektrodene i batteriet vil partiklene utvide seg og trekke seg sammen igjen, og etterhvert vil faktisk partiklene sprekke, og når de sprekker slutter de til slutt å funke. Da dør batteriet. En dame som heter Dee Strand sa det så fint i denne artikkelen:

“The electrode is a whole bunch of particles glued together, and when you have particles that change dimensions so dramatically with every cycle, they tend to fall apart. The particles themselves pulverize. They crack. The glue comes undone.”cui_siliconelectrode

file5_2

Ca. 800mg superrent silisiumpulver

 

For å motvirke denne sprekkingen og øke levetiden til batteriet er det flere ting som lønner seg. Det er fint å bruke så små partikler som mulig, helst på nanoskala. Altså veldig, veldig små partikler. De partiklene jeg bruker som blir laget her på IFE er mellom 50 og 500nm store, og ser ut som et kølsvart pulver. Til sammenligning er et hårstrå 100 til 1000 ganger så tykt (50um)! I tillegg til at partiklene bør være små, må ledningsevnen deres økes. Silisium er nemlig et halvledermateriale, og leder derfor ikke så godt strøm. Da er det ikke så lett å dra ut elektroner for å danne elektrisitet, som jo er en ganske viktig egenskap for et batteri 🙂 

I masteroppgaven min prøver jeg å angripe begge disse problemene: sprekking og dårlig ledningsevne. Forskere i hele verden arbeider med denne problematikken, og nesten alle har ulik framgangsmåte. Jeg går meg helt vill i all litteraturen som finnes på temaet. Men min framgangsmåte er basert på en artikkel skrevet av en forskningsgruppe på Stanford Univeristy i USA, og er en forenklet versjon av det de så flott kaller for en «granateplestruktur». I virkeligheten er det masse yolk-shellpartikler samlet sammen til større sekundærpartikler, men der falt sikkert halvparten av dere av. Så jeg skal forklare konseptet med en yolk-shellpartikkel, og hvorfor dette kan funke.

 

yolkshell

Litiering av en silisium/karbon yolk-shellpartikkel

Det er egentlig akkurat det det høres ut som: en slags eggeplomme av silisium (yolk) med et skall (shell) av noe annet. I mitt tilfelle er skallet laget av karbon, for DET leder godt strøm det! Dermed har jeg løst ledningsproblemet sånn delvis. For med karbonskallet vil det være enklere for elektronene å komme fram til partiklene, og vi vil at elektrontransporten skal være så bra som mulig for at de skal kombinere med Li-ionene som kommer fra elektrolytten. Karbonskallet gjør også andre fine ting for elektroden, blant annet stabiliserer det noe vi kaller «solid electrolyte interphase layer», SEI, men det skal jeg ikke gå inn på her. Du har sikkert nok å følge med på allerede. I et egg finner man jo også en eggehvite, og i en yolk-shell partikkel er eggehviten representert av et «ingenting». Jeg aner ikke hva det er. Alle som skriver om yolk-shellpartikler skriver bare «a void of xx nanometers», men ingen sier HVA det er for noe. Så det forblir et mysterium for meg. Alt jeg bryr meg om med dette tomrommet er at det er plass. Det er plass for plommen (silisiumpartikkelen) til å ekspandere inne i skallet (karbonskallet), slik at det ikke kommer i kontakt med elektrolytten (og ikke ødelegger SEI-laget som er dannet utenpå karbonskallet). På denne måten skal de forhåpentligvis ikke sprekke mens batteriet lades opp og ut.

Har du noen spørsmål om prosjektet, eller innspill til masteroppgaven min? Ikke nøl med å kommentere under. Dialog er høyt verdsatt 🙂

Kilder:

 

 

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmailby feather
 


Om

Jeg studerer nanoteknologi i håp om å lære om hvordan vi kan utnytte dens unike egenskaper, samtidig som vi både forbedrer dagens teknologier og finner nye, smarte løsninger på energirelaterte miljøproblemer. Jeg er nå inne i mitt siste semester på nanoteknologistudiet på NTNU der jeg skriver masteroppgave om bruken av nanopartikler av silisium i Li-ionebatterier hos Institutt for Energiteknikk. I forbindelse med masteroppgaven min kommer jeg til å blogge her på smallPrint om ting som skjer i forskningsprosjektet jeg er en del av.


'Siproco Fobeliba – say what?' har 7 ckommentarer

  1. 20. mars 2017 @ 14:20 Trygve Mongstad

    Hei Marte! Bra skrevet! Jeg lurer som du vet også veldig på hva som er imellom eggeplommen og eggeskallet. Et stort mysterium! Kanskje du kan legge ut et sånt spørsmål på Researchgate?

    Svar

    • 23. mars 2017 @ 11:15 Marte Skare

      Takk! Det kan jeg gjøre, hadde vært interessant å se om noen vil dele hva de vet om tomrommet.

      Svar

  2. Ida

    22. mars 2017 @ 22:36 Ida

    Spennende. Hvor tykt er eggeskallet?

    Svar

    • 23. mars 2017 @ 11:20 Marte Skare

      Det varierer etter hvor mye karbon-precursor som bruker i syntetiseringen av skallet. Jeg bruker en blanding av resorcinol og formaldehyd som danner et sol-gel nettverk utenpå partiklene, og karboniserer dette ved 800 grader. Men etter hva jeg har forstått burde karbonlaget være på mellom 5 og 15nm for at det skal være tykt nok til å være mekanisk stabilt, men ikke være for tykt slik at Li må diffundere veldig langt for å komme inn i silisiumpartikkelen.

      Svar

  3. Ida

    22. mars 2017 @ 22:37 Ida

    Og hvordan penetrerer Li skallet?

    Svar

    • 23. mars 2017 @ 11:23 Marte Skare

      Karbonskallet er amorft, og inneholder mikroporer slik at Li kan diffundere gjennom 🙂 Sånn sett er denne karboncoatingmetoden litt problematisk da en del Li også blir fanget i det amorfe skallet, og ikke lenger kan bidra til den elektrokjemiske reaksjonen.

      Svar

  4. 13. april 2017 @ 17:48 smallPrint / Faglig bypåske

    […] Dette skjedde beleilig nok rett etter at jeg hadde laget første batchen med det jeg håpet var yolk-shellpartikler, og da satt jeg der og var litt rådvill. Hvordan skulle jeg nå klare å se om jeg hadde fått til […]

    Svar


Del dine tanker

Your email address will not be published.

© smallPrint A.S. All right reserved. Page based on Old Paper by ThunderThemes.net