Siliciummonoxide: het poeder dat batterijen meer energie moet geven
Siliciummonoxide is een grijsbruin tot zwart poeder met de scheikundige formule SiO, opgebouwd uit silicium en zuurstof. Het is geen bekende stof uit het dagelijks leven zoals keukenzout of suiker, maar het duikt steeds vaker op in verhalen over batterijen voor elektrische auto's en telefoons. De reden: siliciummonoxide kan, verwerkt in de negatieve elektrode (de anode) van een lithium-ion-batterij, helpen om aanzienlijk meer energie in dezelfde ruimte op te slaan dan met de huidige standaardmaterialen mogelijk is.
Een handige analogie is die van een parkeergarage voor lithium-ionen. De grafiet-anode die nu in vrijwel elke batterij zit, is als een ruime, stevige garage: er kunnen best veel 'auto's' (lithiumionen) parkeren, maar niet extreem veel, en het gebouw blijft altijd even groot. Puur silicium is als een garage die tijdens het parkeren enorm kan uitzetten en daardoor tot vier keer zoveel lithium kan herbergen — maar die uitzetting laat het gebouw scheuren en instorten na een paar keer vol- en leegrijden. Siliciummonoxide is een soort tussenvorm: een garage met ingebouwde flexibele tussenwanden van zuurstof, die iets minder capaciteit heeft dan pure silicium, maar wel jarenlang overeind blijft staan.
Wat is het precies?
Siliciummonoxide wordt industrieel meestal gemaakt door siliciumdioxide (kwartszand, SiO2) te verhitten met metallisch silicium tot zeer hoge temperaturen, ruim boven de 1000 graden Celsius. Daarbij ontstaat SiO-gas, dat vervolgens wordt afgekoeld en neerslaat als een amorf poeder — amorf betekent dat de atomen niet in een net, herhalend kristalrooster liggen, zoals bij bijvoorbeeld kwarts, maar min of meer willekeurig door elkaar.
Zuiver, kristallijn SiO is bij kamertemperatuur eigenlijk niet stabiel: de stof heeft de neiging om uiteen te vallen in de twee stoffen waaruit hij is opgebouwd, namelijk elementair silicium en siliciumdioxide. In de praktijk gaat het bij batterijmateriaal dan ook meestal om SiOx, waarbij x ongeveer 1 is: een amorf mengsel van piepkleine silicium-'eilandjes' (een paar nanometer groot, dus miljoenen keren kleiner dan een millimeter) verspreid in een matrix van siliciumdioxide-achtig materiaal.
In een batterij is het juist dat silicium dat de lithiumionen opneemt en weer afgeeft tijdens het opladen en ontladen. De omringende zuurstofrijke matrix reageert bij de eerste oplaadbeurt gedeeltelijk met lithium tot stabiele verbindingen zoals lithiumoxide en lithiumsilicaten. Die verbindingen nemen daarna niet meer actief deel aan de batterijwerking, maar functioneren als een soort schokdemper die de omvangrijke volumeveranderingen van het silicium opvangt, waardoor de elektrode minder snel scheurt of afbrokkelt dan bij puur silicium.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter dit onderzoek is simpel: meer energie per kilogram en per liter batterij. Grafietanodes kunnen in theorie ongeveer 372 milliampère-uur per gram (mAh/g) aan lading opslaan — een maat voor hoeveel elektrische lading een bepaalde hoeveelheid materiaal kan bevatten. Puur silicium haalt in theorie een veelvoud daarvan, tot ruim 4000 mAh/g, terwijl siliciummonoxide daar met naar schatting 1500 tot 2600 mAh/g (theoretisch) tussenin zit. Zelfs dat gematigdere cijfer is nog altijd vier tot zeven keer zoveel als grafiet.
Meer capaciteit in de anode betekent dat batterijfabrikanten met dezelfde hoeveelheid materiaal een batterij kunnen maken die verder komt op een acculading, of dat ze een even krachtige batterij compacter en lichter kunnen bouwen. Voor elektrische auto's scheelt dat direct in actieradius en gewicht; voor smartphones en laptops in dunnere behuizingen of langere gebruiksduur. Omdat siliciummonoxide bovendien relatief goed te combineren is met bestaande productielijnen voor lithium-ion-batterijen — het wordt meestal in kleine hoeveelheden bijgemengd met grafiet in plaats van dat als volledige vervanging te gebruiken — geldt het als een van de meest praktisch haalbare tussenstappen op weg naar energiedichtere batterijen, in afwachting van meer ingrijpende technologieën zoals vaste-stofbatterijen.
Voorbeelden uit de praktijk
Shin-Etsu Chemical, een groot Japans chemieconcern, produceert al decennia siliciummonoxide, oorspronkelijk vooral voor optische coatings op lenzen en spiegels, en behoort tot de belangrijkste leveranciers van siliciumoxide-gebaseerd anodemateriaal voor de batterij-industrie.
Panasonic, de belangrijkste batterijleverancier van Tesla, heeft in zijn cilindrische 18650- en 2170-cellen kleine hoeveelheden siliciumoxide aan de grafietanode toegevoegd om de energiedichtheid te verhogen; dit soort silicium-toevoegingen wordt door de sector al langer toegepast in commerciële cellen voor elektrische auto's.
Tesla kondigde tijdens zijn 'Battery Day' in september 2020 een nieuwe 4680-cel aan waarbij het bedrijf aangaf het aandeel silicium in de anode fors te willen vergroten, onder meer om kosten te verlagen en capaciteit te verhogen; hoeveel daarvan specifiek siliciumoxide betreft in plaats van andere siliciumvormen, is door Tesla niet in detail openbaar gemaakt.
In Zuid-Korea leveren bedrijven als Daejoo Electronic Materials siliciumoxide-anodemateriaal aan grote batterijmakers zoals Samsung SDI en LG Energy Solution, die dit verwerken in cellen voor zowel consumentenelektronica als elektrische voertuigen.
Ook in China investeren materiaalproducenten zoals BTR New Material Group in de opschaling van siliciumoxide-anodematerialen, gedreven door de snelgroeiende Chinese markt voor elektrische auto's en de wens om batterijen met hogere energiedichtheid lokaal te kunnen produceren.
Hoe ver is de techniek?
Siliciummonoxide als batterijmateriaal is geen toekomstdroom meer, maar wordt al jaren in kleine percentages toegepast in commercieel verkrijgbare batterijen, meestal als bijmenging van enkele procenten tot ruim tien procent naast grafiet. Volledige anodes van alleen siliciumoxide zijn in de praktijk nog zeldzaam.
De belangrijkste horde is niet zozeer het maken van het materiaal — dat proces is industrieel goed beheerst — maar het beperken van twee hardnekkige nadelen. Ten eerste blijft er, ondanks de bufferende zuurstofmatrix, nog altijd sprake van volumeverandering tijdens het op- en ontladen, wat op termijn slijtage van de elektrode veroorzaakt. Ten tweede verbruikt de eerste oplaadbeurt relatief veel lithium om de beschermende lithiumoxide- en lithiumsilicaatlaag te vormen; dit heet irreversibele capaciteitsverlies bij de eerste cyclus, en het betekent dat een deel van de dure lithium in de cel nooit meer beschikbaar komt voor daadwerkelijke energieopslag.
Onderzoekers proberen dit te verhelpen door bijvoorbeeld het materiaal vooraf te 'voorladen' met lithium (prelithiëren), door nanostructurering die scheuren beperkt, of door coatings van koolstof of andere materialen aan te brengen. Exacte, onafhankelijk geverifieerde prestatiecijfers van commerciële cellen worden door fabrikanten zelden volledig openbaar gemaakt, wat het voor buitenstaanders lastig maakt om claims van verschillende bedrijven eerlijk te vergelijken. Over het geheel genomen is dit een technologie die geleidelijk verbetert via kleine stappen, niet via plotselinge doorbraken.
Wie werken eraan?
Japan speelt van oudsher een sleutelrol dankzij chemiebedrijven als Shin-Etsu Chemical, die decennialange ervaring hebben met de productie van siliciumverbindingen. Zuid-Korea is een zwaargewicht via materiaalleveranciers zoals Daejoo Electronic Materials en via batterijgiganten Samsung SDI en LG Energy Solution, die zowel materiaalonderzoek als celproductie in huis hebben.
China investeert fors in opschaling van productiecapaciteit voor siliciumoxide-anodematerialen, onder meer via BTR New Material Group, gedreven door de enorme binnenlandse vraag naar batterijen voor elektrische voertuigen. In de Verenigde Staten combineren batterijmakers zoals Panasonic (met fabrieken in onder meer Nevada) siliciumtoevoegingen met celontwerp voor klanten als Tesla, terwijl nationale onderzoekslaboratoria zoals het Pacific Northwest National Laboratory fundamenteel onderzoek doen naar de degradatiemechanismen van silicium- en siliciumoxide-anodes.
Daarnaast houden universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd, van Europa tot Oost-Azië, zich bezig met het beter begrijpen en verbeteren van deze materialen, vaak in samenwerking met de industrie via gezamenlijke onderzoeksprojecten en octrooiaanvragen.