Ti gange mere lagerkapacitet end grafit, det materiale, der hidtil har været brugt i lithium-ion-batterier for at fremme opladning. Dette er årsagen til fremskrivningen af brugen af silicium i de kommende år, både i 'smartphones' og enheder såvel som i anoder af bilbatterier (sektor, hvor Volkswagen netop har annonceret den kommende konstruktion af en gigafabrik i Sagunto til fremstiller batterier til elbiler med en forventet generation på 3.000 arbejdspladser). Og virksomheder som Sila Nanotechnologies i USA har bekræftet starten på produktionen af deres første batterienheder med dette mineral.
Spanien har adskillige forskningscentre, der arbejder på dette mineral, det næstmest udbredte i jordskorpen og mere tilgængeligt end grafit (som i mange andre tilfælde - for eksempel de 'sjældne jordarter'- med kinesisk hegemoni), som det er til stede i sten eller sand, og når det først er udvundet, kan det begynde sin nyttige livscyklus.
Dette er, hvad de gør hos Floatech, en spin-off af IMDEA Materials (et forskningsinstitut knyttet til Fællesskabet i Madrid), medfinansieret af Juan José Vilatela og Richard Schäufele, en del af instituttets Multifunctional Nanocomposites Group.
Nutid og fremtid
Vilatela, en fysisk ingeniør fra Universidad Iberoamericana de México og en doktorgrad fra University of Cambridge, fremhæver essensen af at arbejde med dette materiale: såvel som reduktionen i vægt og størrelse”.
Som et tegn på forskeren fokuserer innovationen på at forfine processen til at være allestedsnærværende i 'dydige sted' større produktion, lavere pris... med tilbagevenden af bæredygtig produktion: "Silicon kræver en proces med transformation til et apparat, for som hos Floatech eliminerer alle opløsningsmidler og blandingsproces, så det miljømæssige fodaftryk bliver reduceret”. En rundvisning midt i en investeringsrunde, med henblik på at bygge det første pilotanlæg i 2023 og have et produkt klar i 2025 (de har haft støtte fra European Research Council, fra et forskningsprojekt med fremragende forskning).
Selvfølgelig, selvom silicium ankommer fyldt med fordele, er det en vis bydende nødvendighed, såsom dets revner på grund af de kontinuerlige ændringer i volumen, der er typiske for opladning og afladningsprocessen i lithium-ion-batterier. I denne forstand fremhæver Carmen Morant, professor i anvendt fysik ved det autonome universitet i Madrid, vigtigheden af dette mineral: "Det er meget lovende som et anodemateriale til lithiumbatterier, fordi det er det element med den højeste specifik-teoretiske kapacitet og meget rigeligt i naturen. Det kunne f.eks. være meget vigtigt i forbindelse med lagring af vedvarende energi. Men på grund af de store volumenvariationer, der sker ved introduktion/ekstraktion af lithium i silicium, hvor materialet øges og falder i volumen op til fire gange, revner, knækker anoden, og batteriet mister stabilitet. Af denne grund undersøger vi, hvordan man kan øge levetiden for disse batterier gennem brug af materialer i små dimensioner, såsom for eksempel tynde siliciumfilm og siliciumnanotråde”.
Løsningen har været et bydende fysisk skridt, som Morant påpeger, "ved at arbejde med meget tyndere lag af silicium og fremstille vertikalt justerede siliciumnanotråde. For at visualisere det, ville det være noget, der ligner spidserne af en smerte, mellem de rum, som øger volumen kan rummes under læsse- og aflæsningsprocesserne”. Specialisten fremhæver også, at der er to typer silicium på dette område: "det krystallinske (dyrere og ikke kommercielt levedygtigt), og det amorfe, mere porøse, og som kan 'dopes' med introduktionen af materialer, så det stadig er mere ledende, som vi undersøger i samarbejde med Deposited Silicon Devices Group, Photovoltaic Solar Energy Unit of the CIEMAT (Center for Energy, Environmental and Technological Research)”.
I tilfældet med Marta Cabello, en postdoc-forsker i forskergruppen Cell Prototyping ved CIC energiGUNE, fremhæver hun, hvordan industrien indtil nu har brugt meget lave mængder silicium i anoderne, mellem 5 og 8 %. Og det fremhæver institutionens deltagelse i det europæiske projekt 3beLiEVe, "hvis mål er at styrke den europæiske batteri- og bilindustris position på det fremtidige marked for elektriske køretøjer gennem og levering af den første generation af batterier. designet og fremstillet i Europa. I dette projekt undersøges introduktionen af silica i anodematerialet.
Denne udvikling af centret, der ligger i Álava Technology Park, blev forudgået af deltagelsen i et andet fremragende europæisk projekt Graphene Flagship Core 2, "hvor forskning blev udført på siliciumanoder kombineret med grafen, der formåede at skalere denne kombination af materialer til sin produktionsmasse".
Nye tider
Som et resultat af bæredygtighed påpeger Cabello, at stigningen i batteriets energitæthed vil gøre det muligt at have elektriske køretøjer med batterier, der kan tilbyde flere kilometer for at spare på en enkelt opladning: industrielle lithium-ion-batterier i siliciumanoder er reduceret til et minimum, er, at fremstillingen og processen af disse anoder udføres i vandigt medium, væk fra de almindeligt anvendte organiske opløsningsmidler, som er giftige og reducerer batteriernes sikkerhed”.
Et andet højdepunkt er Ferroglobes, den spanske virksomhed, sammen med Little Electric Cars, udvalgt i det andet paneuropæiske forsknings- og innovationsprojekt (IPCEI), der dækker hele batteriværdikæden.
Verdens førende producent af siliciummetal og silicium-mangan ferrolegeringer, har en verdensomspændende kundebase på dynamiske og hurtigt voksende markeder såsom solenergi, bilindustrien, forbrugerprodukter, byggeri og energisektoren, med fabrikker i Spanien, Frankrig, Norge , Sydafrika, USA, Canada, Argentina og Kina (26 produktionscentre, med 69 ovne på verdensplan og omkring 3400 ansatte på verdensplan) .
På sit innovations- og R&D-center (i Sabón, La Coruña) har Ferroglobe sammen med den metallurgiske silicafabrik, den eneste i Spanien, lanceret en strategisk innovationsplan for udvikling af siliciumpulver (mikrometrisk og nanometrisk) til anoden af lithium -ion batterier. "Virksomheden (påpeger de) ønsker at levere løsninger på den aktuelle udfordring, som bil- og mobilitetsindustrien står over for, såsom at fremme en overgang til mere bæredygtige og klimaneutrale teknologier. I denne sammenhæng er batterier en nøgleteknologi for denne ændring, men det er nødvendigt at sikre forsyningen af de avancerede materialer, der er nødvendige for at fremstille dem”. Et internationalt scenarie, hvor silicium etableres som et af de essentielle materialer i det første årti for at belyse forholdet mellem rentabilitet og bæredygtighed.
