Siliciumanode: de sleutel tot batterijen die verder komen op minder ruimte
Een siliciumanode is een onderdeel van een oplaadbare batterij waarbij het gebruikelijke elektrodemateriaal grafiet geheel of gedeeltelijk is vervangen door silicium. De anode is de negatieve elektrode van een batterij: de plek waar tijdens het opladen lithium-ionen worden opgeslagen, en die tijdens het gebruik weer stroom levert. Silicium kan per gram veel meer lithium opnemen dan grafiet, waardoor een batterij met een siliciumanode in theorie veel meer energie kan bevatten in hetzelfde gewicht en volume.
Een vergelijking maakt het concreet. Stel je een parkeergarage voor die auto's (lithium-ionen) moet herbergen. Grafiet is als een garage met nette, vaste parkeervakken: efficiënt en stabiel, maar met een beperkt maximum. Silicium is als een garage die tijdelijk drie tot vier keer zo groot kan worden om extra auto's kwijt te kunnen, maar daarna ook weer krimpt. Dat op- en afzwellen klinkt handig, maar zorgt in de praktijk voor scheuren in de constructie. Precies dat probleem houdt onderzoekers al jaren bezig.
Wat is het precies?
In een lithium-ionbatterij bewegen lithium-ionen tijdens het opladen van de positieve elektrode (de kathode) naar de negatieve elektrode (de anode). Daar worden ze tijdelijk 'ingebouwd' in het materiaal, een proces dat lithiëring heet. Bij het gebruik van de batterij keert dit proces om en stroomt de lading terug, wat elektrische stroom levert.
Grafiet, een vorm van koolstof, is al decennia het standaard anodemateriaal. Het kan ongeveer 372 milliampère-uur aan lading opslaan per gram materiaal (afgekort mAh/g), een maat voor hoeveel energie iets per gewicht kan vasthouden. Silicium kan dat veelvoud beter: afhankelijk van de precieze meetmethode wordt een theoretische capaciteit van ongeveer tien keer zo hoog genoemd. Dat verschil is de reden dat siliciumanodes al zo lang aantrekkelijk lijken.
Het probleem zit in wat er fysiek gebeurt. Wanneer silicium lithium opneemt, zwelt het materiaal met naar schatting twee- tot viermaal zijn oorspronkelijke volume op. Bij het ontladen krimpt het weer. Die herhaalde uitzetting en krimp breekt siliciumdeeltjes stuk en laat de beschermende laag die zich normaal op een elektrode vormt — de zogeheten SEI-laag (solid electrolyte interphase, een dun laagje dat ontstaat uit ontleed elektrolyt en de elektrode beschermt — steeds opnieuw scheuren. Bij elke scheur moet die laag zich opnieuw vormen, wat elektrolyt en bruikbaar lithium verbruikt. Het resultaat is dat de batterij sneller capaciteit verliest dan een grafietvariant.
Om dit te beperken, gebruiken fabrikanten meestal geen zuiver silicium, maar nanogestructureerd silicium: piepkleine draadjes, poreuze deeltjes of een silicium-koolstofmengsel. Door het silicium op nanoschaal te verdelen, krijgt het meer ruimte om te zwellen zonder dat de hele elektrode het begeeft. Ook wordt vaak maar een klein percentage silicium aan grafiet toegevoegd, in plaats van een volledig siliciumanode te bouwen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energiedichtheid: hoeveel energie een batterij bevat per kilogram of per liter. Voor elektrische auto's betekent een hogere energiedichtheid een grotere actieradius zonder zwaardere accupakketten, of dezelfde actieradius met een kleinere, goedkopere batterij. Voor consumentenelektronica zoals smartphones, oordopjes en wearables betekent het dunnere, lichtere apparaten die langer meegaan op een lading.
Een tweede doel is snellader-vermogen. Silicium kan lithium-ionen in potentie sneller opnemen dan grafiet, wat kortere laadtijden mogelijk zou maken, al hangt dit sterk af van de celontwerp als geheel.
Daarnaast spelen kosten en grondstoffen mee. Silicium is, in tegenstelling tot bijvoorbeeld kobalt of nikkel, overvloedig aanwezig: het is na zuurstof het meest voorkomende element in de aardkorst. Dat maakt het aantrekkelijk voor bedrijven die minder afhankelijk willen zijn van schaarse of geopolitiek gevoelige metalen, al zit de huidige kostprijs vooral in het bewerken van silicium tot een geschikt nanomateriaal, niet in de grondstof zelf.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf Sila (voorheen Sila Nanotechnologies) ontwikkelde het materiaal Titan Silicon en leverde dit vanaf 2021 voor het eerst op commerciële schaal in de Whoop 4.0, een fitnessbandje. Sila werkt daarnaast samen met Mercedes-Benz, dat aankondigde het materiaal te willen gebruiken in een toekomstige versie van de elektrische terreinwagen EQG.
Concurrent Group14 Technologies ontwikkelde het siliciummateriaal SCC55 en bouwde samen met investeerders, waaronder Porsche en het Zuid-Koreaanse SK Materials, een grootschalige productiefabriek in de staat Washington (VS), bedoeld om siliciumanodemateriaal op industriële schaal te leveren aan batterijfabrikanten.
Het beursgenoteerde Amprius Technologies, met wortels in onderzoek aan Stanford University, maakt siliciumnanodraad-anodes met een zeer hoge energiedichtheid. Vanwege de hoge kosten richt Amprius zich vooral op niches waar gewicht cruciaal is, zoals zonne-aangedreven hoogtevliegende drones die weken tot maanden in de lucht blijven voor telecommunicatie- en observatiedoeleinden.
Enovix koos voor een andere aanpak: een driedimensionale celarchitectuur met een siliciumanode, waarbij de cel zo is opgebouwd dat het materiaal ruimte krijgt om te zwellen. Het bedrijf richtte zich eerst op wearables en oordopjes, als opstap naar grotere toepassingen.
Tesla kondigde tijdens zijn 'Battery Day' in 2020 aan een goedkoop siliciumadditief te gebruiken in de anode van zijn nieuwe 4680-batterijcel, bedoeld om kosten te drukken terwijl energiedichtheid toeneemt. Deze cellen worden geleidelijk in productie genomen voor Tesla-modellen, al betreft het een siliciumtoevoeging aan grafiet, geen zuivere siliciumanode.
Hoe ver is de techniek?
Siliciumanodes zijn geen toekomstmuziek meer, maar ook nog geen mainstream. In consumentenproducten met een relatief korte levensduur, zoals fitnessbandjes en oordopjes, worden ze al enkele jaren daadwerkelijk verkocht. In elektrische auto's gaat het vooralsnog vrijwel altijd om grafietanodes met een klein percentage silicium toegevoegd (doorgaans enkele procenten tot ruim tien procent), niet om anodes die grotendeels uit silicium bestaan.
Voertuigen en vliegtuigen vragen om duizenden laad- en ontlaadcycli over vele jaren, en juist daar loopt zuiver of hoog-percentage silicium nog tegen de eerder genoemde slijtageproblemen aan. Onderzoekers werken aan oplossingen zoals stabielere bindmiddelen die de elektrode bij elkaar houden ondanks het zwellen, 'voor-lithiëring' om het capaciteitsverlies in de eerste laadcyclus te compenseren, en nieuwe nanostructuren die schade beperken.
Kosten blijven een obstakel: het produceren van geschikt nanogestructureerd siliciummateriaal op grote schaal is duurder dan grafiet delven en verwerken. De verwachting in de sector is dat het aandeel silicium in mainstream EV-batterijen de komende jaren geleidelijk zal toenemen, eerder dan dat er op korte termijn een plotselinge doorbraak naar volledig siliciumanodes komt. Onafhankelijke, langjarige praktijktests op automotive-schaal zijn nog beperkt beschikbaar, wat het lastig maakt om fabrikantclaims over levensduur volledig te verifiëren.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten kennen een cluster gespecialiseerde start-ups, waaronder Sila, Group14 Technologies, Amprius Technologies, Enovix en OneD Battery Sciences, vaak voortgekomen uit universitair onderzoek en gefinancierd met durfkapitaal. Automerken als Mercedes-Benz, Porsche en General Motors investeren in of werken samen met deze bedrijven om siliciumtechnologie in toekomstige modellen te krijgen.
Grote Aziatische batterijfabrikanten zoals Panasonic, Samsung SDI en LG Energy Solution voeren eigen onderzoeksprogramma's naar silicium-koolstofcomposietanodes, evenals het Chinese CATL, momenteel 's werelds grootste batterijproducent. Chinese materiaalleveranciers spelen daarnaast een groeiende rol in de productie van siliciumhoudend anodemateriaal.
Op onderzoeksniveau dragen universiteiten zoals Stanford University en verschillende Amerikaanse nationale laboratoria bij aan fundamenteel begrip van hoe silicium-elektrodes zich gedragen en hoe schade kan worden beperkt. Batterijonderzoek naar siliciumanodes wordt breed gepubliceerd in wetenschappelijke tijdschriften, wat aangeeft dat het nog altijd een actief onderzoeksveld is met ruimte voor verbetering, niet een afgerond hoofdstuk.