Zašto je silicijum toliko zanimljiv?
Grafit je decenijama standardni materijal za anode u litijum-jonskim baterijama. Njegova teorijska specifična sposobnost skladištenja iznosi oko 372 mAh/g, dok kod silicijuma različiti teorijski modeli daju vrednosti od približno 3.600 do 4.200 mAh/g. To znači da silicijum ima potencijal za više od deset puta veći kapacitet po masi.
Kada silicijum tokom punjenja primi litijum, njegova zapremina može da poraste za oko 300 odsto. Kada se baterija prazni, materijal se ponovo skuplja. Ponavljanje tog ciklusa stvara veliko mehaničko opterećenje: čestice silicijuma mogu da pucaju i gube kontakt sa ostatkom elektrode, dok se istovremeno narušava i zaštitni sloj koji se formira na njihovoj površini. Posledica je postepeni gubitak kapaciteta.
Zato današnje baterije sve češće koriste različite kompozicije silicijuma i grafita, umesto da se jednostavno pređe na anodu od gotovo čistog silicijuma.
Nanocevi funkcionišu kao provodljiva mreža
Tu dolaze jednozidne ugljenične nanocevi, odnosno SWCNT. Reč je o veoma tankim strukturama napravljenim od ugljenika, koje mogu da formiraju svojevrsnu trodimenzionalnu mrežu unutar elektrode.
Njihova prednost nije samo u provodljivosti. Zahvaljujući velikoj dužini u odnosu na prečnik i fleksibilnosti, nanocevi mogu da povežu čestice u elektrodi i da zadrže električni kontakt čak i kada se silicijum širi i skuplja. Istraživanja su pokazala da male količine SWCNT mogu značajno da poboljšaju ponašanje silicijumskih anoda tokom velikog broja ciklusa.
Jedno istraživanje objavljeno 2024. godine, na primer, pokazalo je da su jednozidne ugljenične nanocevi u silicijumskom kompozitu formirale mrežu koja je istovremeno povećavala mehaničku otpornost elektrode i održavala električnu povezanost. U eksperimentu su nanocevi korišćene u veoma maloj koncentraciji, od svega 0,1 odsto mase u jednom od testiranih sastava.
Nije potrebno da nanocevi zauzmu veliki deo baterije da bi imale efekat.
Ne rešavaju samo jedan problem
Silicijum nije problematičan samo zato što se širi. On ima i slabiju sopstvenu električnu provodljivost, dok nestabilna površinska struktura dodatno komplikuje dugotrajan rad baterije. Zato se razvoj silicijumskih anoda ne svodi na jedan materijal ili jednu tehnologiju.
Istražuju se različite kombinacije silicijuma, grafita, ugljeničnih materijala, veziva i zaštitnih slojeva. Jednozidne ugljenične nanocevi mogu da budu deo tog rešenja jer istovremeno doprinose električnoj provodljivosti i mehaničkoj stabilnosti elektrode.
Zbog toga je realniji scenario da se u narednim generacijama baterija koriste silicijum-grafitne anode sa pažljivo kontrolisanim udelom silicijuma, uz dodatke koji omogućavaju da takva elektroda izdrži veliki broj ciklusa.
Šta bi to moglo da znači za telefone?
Ako se problem sa silicijumom uspešno reši na nivou industrijske proizvodnje, proizvođači bi mogli da dobiju više prostora za povećanje energetske gustine baterije.
To ne znači automatski da će svaki telefon odjednom imati dvostruko duže trajanje baterije. Veći kapacitet može se iskoristiti na različite načine: za dužu autonomiju, tanje uređaje, brže punjenje ili jednostavno za nadoknađivanje energije koju troše snažniji procesori i svetliji ekrani.
To je razlog zbog kojeg se silicijum već koristi u određenim komercijalnim baterijama, najčešće u kombinaciji sa grafitom. Problem više nije dokazati da silicijum može da skladišti mnogo energije, već napraviti bateriju koja tu prednost može da zadrži kroz veliki broj punjenja i pražnjenja.
Od laboratorije do masovne proizvodnje
Najveći izazov sada nije samo pronaći materijal koji funkcioniše, već ga proizvoditi u velikim količinama, po prihvatljivoj ceni i uz dovoljno ujednačen kvalitet.
Kod silicijumskih anoda i dalje postoje pitanja koja se odnose na životni vek, stabilnost, količinu silicijuma koju je moguće dodati i ponašanje baterije u realnim uslovima. Zbog toga stručni pregledi i dalje govore o silicijumu kao veoma obećavajućem materijalu, ali ne i o tehnologiji koja je već rešila sve probleme litijum-jonskih baterija.
Pravac razvoja je jasan: umesto da se baterija samo „napuni većom količinom materijala“, istraživači pokušavaju da promene samu strukturu elektrode tako da može da izdrži mnogo veće opterećenje.
A u toj priči jedan od najmanjih materijala mogao bi da ima veoma veliku ulogu.
