Kisel kan driva nästa generation litiumjonbatterier
Genom att tillsätta kisel i batteriers anodmaterial kan energilagringen fördubblas eller till och med tredubblas. Doktoranden Ali Abo Hamad vid FSCN Research Centre har utvecklat en hållbar metod som gör kisel lämpligt för nästa generations batterier.
I sin licentiatavhandling ”Green thermochemical modification of silicon microparticles for next-generation lithium-ion battery anodes” visar han hur kisel kan öka batteriers prestanda dramatiskt när det bearbetas på ett miljövänligt sätt.
Sedan 1990-talet har grafit varit standardmaterialet i anodkomponenter för litiumjonbatterier – men materialet har en begränsad kapacitet. Kisel kan lagra upp till tio gånger mer laddning per gram, men den praktiska användning har länge hindrats av att materialet lätt spricker och tappar prestanda efter bara några få laddningscykler.
För att lösa detta har Ali tagit fram en miljövänlig metod som gör kiselpartiklar porösa, vilket gör att de kan expandera och krympa utan att gå sönder. I stället för farliga syror som innehåller vätefluorid använder han urea, ett vanligt gödningsmedel. När urea hettas upp tillsammans med kisel bryts det ned till gaser som etsar ytan och skapar en porös struktur.
– Urea gör det möjligt att skapa poröst kisel genom en enkel, kostnadseffektiv och säker process. Det är detta som gör att kisel kan användas i praktiska batterier, säger Ali.
Två till tre gånger högre kapacitet
Det porösa kislet kan blandas med grafit för att skapa kompositanoder. Tester visar att anoder som innehåller 10–20 procent poröst kisel levererar två till tre gånger högre kapacitet än ren grafit, samtidigt som de är betydligt mer stabila än obehandlat kisel.
Alis forskning visar att kisel kan ge stora prestandalyft för batterier genom en grön och tillgänglig process. Resultaten öppnar dörren för batterier som är mer energitäta, hållbara och miljövänliga.
– Även små mängder kisel kan fördubbla batterikapaciteten. Mitt långsiktiga mål är att förstå hur porositeten påverkar stabiliteten – och på sikt ersätta grafit helt med kisel, säger han.
Lösning av verkliga problem
Alis fascination för materialvetenskap började tidigt.
– Som barn brukade jag plocka isär batterier bara för att se vad som fanns inuti, säger han.
Ali tog sin masterexamen i kemiteknik vid University of Malaya i Malaysia. Efter det fick han stipendieerbjudanden från flera universitet runt om i världen. Samtidigt beviljades han permanent uppehållstillstånd i Sverige, vilket ledde till att han flyttade hit. Senare arbetade han på Vesta Si, ett företag som specialiserar sig på material baserade på kisel och kiselnitrid, där han ansvarade för laboratorieverksamheten samtidigt som han fortsatte sin forskning. När en doktorandtjänst vid Mittuniversitetet utlystes sökte han – och antogs – vilket gav honom möjlighet att fortsätta sin väg mot en forskarkarriär.
– I framtiden hoppas jag få arbeta i en forsknings- och utvecklingsmiljö där jag kan göra experiment och lösa verkliga problem, säger han.
Licentiatseminarium
Den 28 november kommer Ali Abo Hamad att presentera sin licentiatavhandling "Grön termokemisk modifiering av kiselmikropartiklar för nästa generations litiumjonbatterianoder."
Välkommen att delta i seminariet som hålls på Campus Sundsvall och även går att följa via Zoom.