Silicium is een van de belangrijkste materialen van de afgelopen eeuw. De componenten van een computerchip worden gefabriceerd op een plakje silicium, waardoor het scheikundig element met symbool Si een sleutelrol vervulde in de komst van pc’s, laptops en smartphones en zo de digitale revolutie mee mogelijk maakte. Onderzoekers kwamen er nu achter dat silicium, dat in de vorm van zand of klei ook gebruikt wordt voor de productie van veel bouwmaterialen, ook potentieel bezit voor het verbeteren van lithium-ion-batterijen. Dat zou een boost kunnen geven aan de verkoop van elektrische voertuigen en zo ook aan de strijd tegen de opwarming van het klimaat.
Beeld (Pixabay): Na zuurstof is silicium met 25,7 procent het meest voorkomende element in de aardkost. Silicium komt in zijn elementaire vorm wel niet voor in de natuur. De meest voorkomende siliciumverbinding is siliciumdioxide, onder meer te vinden in kwarts (foto), opaal en vuursteen.
Bijna 30% van de CO2-uitstoot in de EU is afkomstig van wegtransport. Dat berekende het European Environment Agency. Elektrische voertuigen kunnen zorgen voor een drastische daling van dat percentage. Ze zijn vandaag echter nog duur, en ook hun beperkte actieradius en de lange laadtijd doen veel bedrijven toch nog voor vrachtwagens met verbrandingsmotor kiezen. Ook particulieren kiezen nog heel vaak voor een traditionele wagen. Het vergroten van schaalvoordelen, verticale integratie en het verbeteren van de batterijprestaties zouden moeten helpen de prijs van elektrische voertuigen te doen dalen en hun actieradius te vergroten. Voor betere accuprestaties wordt gekeken in de richting van technologische innovaties, maar ook naar nieuwe materialen. IDTechEx, dat sinds 1999 onafhankelijk onderzoek biedt over opkomende technologie aan klanten in meer dan tachtig landen, komt nu met een rapport waarin het de verwachte trends voor lithium-ion-batterijen of Li-ion-batterijen, waarop de meeste elektrische voertuigen rijden, in de komende tien jaar schetst. Daarin is volgens de onderzoekers een belangrijke rol weggelegd voor silicium.
Kortere oplaadtijd en groter rijbereik
Een Li-ion-batterij, die vandaag bestaat uit materialen als lithium, grafiet, kobalt en nikkel en niet of slechts voor een heel klein percentage uit silicium, kan in ongeveer 40 minuten tijd worden opgeladen tot een capaciteit van 80%, wat een elektrisch voertuig een rijbereik van zo’n 350 kilometer oplevert en een levensduur van ongeveer tien jaar. Voldoende voor early adopters, maar nog niet voor de grote massa, die een groter bereik en kortere oplaadtijd verlangt. Silicium zou er wel eens kunnen voor zorgen dat die massa op haar wenken wordt bediend. Doordat een siliciumatoom kan binden met 3,75 lithiumionen en er zes lithiumionen nodig zijn om te binden met één koolstofatoom, heeft silicium een theoretische capaciteit die tien keer hoger ligt dan grafiet.
Eén grote hindernis
Helaas is het niet zo eenvoudig om silicium toe te voegen aan Li-ion-batterijen, omdat het materiaal één groot nadeel kent: wanneer het bindt met lithiumionen kan het 300% uitzetten in volume, wat verschillende nadelen oplevert voor de batterij, zoals een kortere levensduur. Gelukkig is er naar die problemen uitvoerig onderzoek gedaan en staan verschillende oplossingen dicht bij hun commercialisering.
Een van die oplossingen is het gebruik van zogenaamde poreuze materialen. Die zorgen ervoor dat het volume van silicium kleiner wordt en bieden het bijkomende voordeel dat de batterij sneller oplaadt en de werking bij lage temperaturen verbetert, wat belangrijke criteria zijn voor fabrikanten van elektrische wagens. De poreuze materialen veroorzaken op hun beurt echter weer problemen met de elektrolytstabiliteit. Tientallen bedrijven zijn momenteel op zoek naar een oplossing voor dát probleem. Door het beloftevolle potentieel van silicium in Li-ion-batterijen kunnen de bedrijven die met dat onderzoek bezig zijn, vaak start-ups, rekenen op gezamenlijk meer dan 750 miljoen dollar financiering.
Eerst in elektronische gereedschappen en apparaten
Samengevat: silicium kan volgens het rapport ‘Li-ion Batteries 2020-2030’ van IDTechEx de prestaties van Li-ion-batterijen stapsgewijs verbeteren, niet alleen op het vlak van energiedichtheid, maar ook op het vlak van oplaadtijd. Zo kan het materiaal bijdragen aan een stiller en milieuvriendelijke transport. Het is nu vooral wachten op een oplossing voor de belangrijkste hindernis; dat silicium enorm uitzet in volume wanneer toegepast in zo’n batterij. Er zijn en worden echter enorme sommen geld uitgegeven om een oplossing te vinden voor dat probleem. IDTechEx verwacht dat die oplossingen er weldra zullen zijn. In het rapport staat ook nog dat Li-ion-batterijen met silicium in eerste instantie waarschijnlijk vooral zullen worden toegepast in elektrische gereedschappen en digital devices voor consumenten zoals smartphones en pas later in de automobielsector.
