Energiespeichertechnologien sind in der heutigen Wirtschaft von entscheidender Bedeutung, da die weltweite Nachfrage nach Energie weiter steigt.
Derzeit ist die Lithium-Ionen-Technologie die weltweit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Diese Batterien werden häufig in kleineren Anwendungen eingesetzt und dominieren daher den Markt für tragbare Speicher.
Andererseits hat sich die Technologie bei groß angelegten Anwendungen, wie z. B. in der Batterie für Elektroautos und bei der Energiespeicherung im großen Maßstab, nur langsam durchgesetzt, was auf die begrenzten Kapazitäten der Technologie zurückzuführen ist.
Die Innovation rund um die Verwendung von Silizium in Batterieanoden hat neue Möglichkeiten für Lithium-Ionen-Batterien eröffnet. Lithium-Ionen-Batterien werden derzeit unter Verwendung von Graphit-Anoden entwickelt, da Graphit mehrere optimale Eigenschaften aufweist, z. B. seine strukturelle Stabilität und geringe elektrochemische Reaktivität.
Graphitanoden sind beständig leistungsfähig, aber aufgrund ihrer begrenzten Energiekapazität sind sie für die globale Elektrifizierung nicht geeignet. Siliziumanoden hingegen absorbieren mehr Lithium als ihre Gegenstücke aus Graphit, was eine erhebliche Verbesserung der Batterieleistung zur Folge hat.
Atomar ausgedrückt würde der Ersatz von Silizium durch Graphit die Aufnahmekapazität der Lithium-Ionen-Anode verbessern, da jedes Siliziumatom bis zu vier Lithium-Ionen aufnehmen kann, während in Graphitanoden sechs Kohlenstoffatome nur ein Lithium aufnehmen.
Der Ersatz von Graphit durch Silizium ermöglicht auch die Herstellung kleinerer Batterien für elektronische Geräte und Elektroautos und bietet das Potenzial, die Batterieladung um das Zehnfache zu erhöhen.
Obwohl die Speicherkapazität von Siliziumanoden beeindruckend ist, werden Kritiker die Abnutzung als Nachteil für ihre Vermarktung anführen. Lithium-Ionen-Batterien schrumpfen und dehnen sich aus, wenn sie Lithium-Ionen abgeben und aufnehmen. Dieser Zyklus verkürzt die Lebensdauer von Siliziumanodenbatterien durch Abnutzung und Verschleiß.
Aber keine Sorge, eine aktuelle Studie der University of Alberta hat dieses Problem gelöst.
Die Studie zeigte eine bedeutende Innovation zur Verbesserung der Langlebigkeit von Siliziumanoden in Lithium-Ionen-Batterien. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Partikel mit zunehmender Größe besser in der Lage sind, die Belastung zu bewältigen, die beim Atmen des Siliziums auftritt. Mit anderen Worten: Je kleiner die Siliziumpartikel sind, desto weniger Verschleiß tritt auf.
Andere Studien haben dies bestätigt und festgestellt, dass Silizium-Nanopartikel (Si-NP), die kleiner als 150 nm sind, die Bildung von Rissen bei der ersten Lithiierung verhindern und somit die mechanische Belastung verringern und eine Verformung und Rissbildung der Elektroden verhindern.
Die Verbesserung der Lebensdauer von Siliziumanoden ist von entscheidender Bedeutung für die Erweiterung der Möglichkeiten der Batteriespeicherung und die anschließende Kommerzialisierung ihrer Anwendungen, die die Weltwirtschaft umgestalten könnten.
Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) werden mit Strom betrieben, der in einer Batterie gespeichert ist, die wiederum einen Elektromotor antreibt und die Räder dreht. Wenn die Batterien leer sind, werden sie mit Netzstrom aufgeladen, was über eine Steckdose oder eine Ladestation geschehen kann
Der nächste Schritt zur Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanoden liegt in der Verfeinerung. Durch die Vereinfachung und Standardisierung des Verfahrens zur Umwandlung von Silizium in Partikel in Nanogröße könnte das Marktpotenzial von Siliziumanodenbatterien (und der Produkte, die sie potenziell nutzen könnten) erheblich erweitert werden.
HPQ Silicon Resources entwickelt das Projekt PUREVAP™ Quartz Reduction Reactor (QRR) in Partnerschaft mit Pyrogenesis Canada Inc. Bei dem Projekt handelt es sich um ein neues karbothermisches Verfahren (zum Patent angemeldet), das die Umwandlung und Reinigung von Quarz (SiO2) in hochreines Siliziummetall (4N+ Si) in einem Schritt ermöglicht.
Nachdem HPQ seit seiner Gründung im Jahr 2015 zahlreiche Meilensteine erreicht hat, steht das Unternehmen kurz vor der Inbetriebnahme seiner Gen3 PUREVAP™ QRR-Pilotanlage mit einer Kapazität von 50 Tonnen pro Jahr. Dieser Prozess wird die Fähigkeit des Unternehmens demonstrieren, hochreines Silizium zu wettbewerbsfähigen Kosten zu produzieren und Silizium-Materialien mit Mehrwert herzustellen, die Produkte zu qualifizieren und an potenzielle Kunden zu verkaufen.
Insbesondere der elektrische Verkehr ist eine Branche, die in hohem Maße von der Leistungsfähigkeit der Batterien abhängt. Es kann praktisch garantiert werden, dass die Wettbewerbsfähigkeit von Elektrofahrzeugen (EVs) erheblich zunehmen wird, wenn die Batteriespeicherung ausgebaut wird, und das PUREVAP™ Quartz Reduction Reactor (QRR)-Projekt von HPQ spielt in dieser Gleichung eine wichtige Rolle.
Die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanoden zu kommerziell nutzbaren Produkten ist eine vielversprechende Aussicht, denn sie wird dazu beitragen, das Zeitalter des niedrigen Kohlenstoffgehalts und einer elektrifizierten Weltwirtschaft einzuläuten.
HPQ Silicon ist ein in Quebec ansässiger Tier-1-Industrieemittent der TSX Venture Exchange. Mit der Unterstützung der erstklassigen Technologiepartner PyroGenesis Canada und NOVACIUM SAS entwickelt das Unternehmen neue umweltfreundliche Verfahren, die für die Herstellung der entscheidenden Materialien, die zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen erforderlich sind, entscheidend sind.
