Tien keer meer opslagcapaciteit dan grafiet, het materiaal dat tot nu toe in lithium-ionbatterijen werd gebruikt om het opladen te bevorderen. Dit is de reden voor de prognose van het gebruik van silicium in de komende jaren, zowel in 'smartphones' en apparaten als in de anodes van autobatterijen (een sector waarin Volkswagen zojuist de aanstaande bouw van een gigafabriek in Sagunto heeft aangekondigd) om batterijen voor elektrische auto's te produceren, met een verwachte generatie van 3.000 banen). En bedrijven zoals Sila Nanotechnologies, in de Verenigde Staten, hebben de start van de productie van hun eerste batterij-eenheden met dit mineraal bevestigd.
Spanje heeft verschillende onderzoekscentra die werken aan dit mineraal, het op één na meest voorkomende mineraal in de aardkorst en toegankelijker dan grafiet (zoals in veel andere gevallen -bijvoorbeeld de 'zeldzame aardmetalen'-, met Chinese hegemonie), zoals het aanwezig is in rotsen of zand, en eenmaal gewonnen, kan het zijn nuttige levenscyclus beginnen.
Dit doen ze bij Floatech, een spin-off van IMDEA Materials (een onderzoeksinstituut verbonden aan de Gemeenschap van Madrid), medegefinancierd door Juan José Vilatela en Richard Schäufele, onderdeel van de Multifunctional Nanocomposites Group van het instituut.
Heden en toekomst
Vilatela, een fysisch ingenieur van de Universidad Iberoamericana de México en een doctoraat van de Universiteit van Cambridge, benadrukt de essentie van het werken met dit materiaal: evenals de vermindering in gewicht en grootte”.
Als teken van de onderzoeker richt de innovatie zich op het verfijnen van het proces zodat het alomtegenwoordig is in de 'virtuous site' grotere productie, lagere prijs... met de terugkeer van duurzame productie: "Silicium vereist een proces van transformatie in een apparaat, voor waarbij bij Floatech alle oplosmiddelen en het mengproces worden geëlimineerd, waardoor de ecologische voetafdruk wordt verkleind”. Een rondleiding midden in een investeringsronde, met het oog op de bouw van de eerste proeffabriek in 2023 en het gereed hebben van een product in 2025 (ze hebben de steun gehad van de European Research Council, vanuit een project van excellentie in onderzoek).
Natuurlijk, hoewel silicium beladen is met voordelen, presenteert het een zekere noodzaak, zoals het kraken als gevolg van de voortdurende veranderingen in volume die kenmerkend zijn voor het laad- en ontlaadproces in lithium-ionbatterijen. In die zin benadrukt Carmen Morant, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de Autonome Universiteit van Madrid, het belang van dit mineraal: "Het is veelbelovend als anodemateriaal voor lithiumbatterijen, omdat het het element is met de hoogste specifiek-theoretische capaciteit en zeer overvloedig in de natuur. Het kan bijvoorbeeld heel belangrijk zijn bij de opslag van hernieuwbare energie. Door de enorme volumevariaties die optreden bij de introductie/extractie van lithium in silicium, waarbij het materiaal tot vier keer toe in volume toeneemt en afneemt, barst de anode, breekt en verliest de batterij zijn stabiliteit. Daarom onderzoeken we hoe we de levensduur van deze batterijen kunnen verlengen door het gebruik van materialen in kleine afmetingen, zoals dunne siliciumfilms en silicium nanodraden”.
De oplossing was een noodzakelijke fysieke stap, zoals Morant opmerkt, "door te werken met veel dunnere lagen silicium en verticaal uitgelijnde siliciumnanodraden te fabriceren. Om het te visualiseren, zou het iets zijn dat lijkt op de pieken van pijn, tussen die ruimtes die in volume kunnen worden ondergebracht tijdens de laad- en losprocessen. De specialist benadrukt ook dat er op dit gebied twee soorten silicium zijn: "het kristallijne (duurder en niet commercieel levensvatbaar), en het amorfe, meer poreuze en dat kan worden 'gedoteerd' met de introductie van materialen zodat het nog steeds meer geleidend, waarnaar we onderzoeken in samenwerking met de Deposited Silicon Devices Group, Photovoltaic Solar Energy Unit van het CIEMAT (Centre for Energy, Environmental and Technological Research)”.
In het geval van Marta Cabello, een postdoctoraal onderzoeker in de Cell Prototyping-onderzoeksgroep bij CIC energiGUNE, benadrukt ze hoe de industrie tot nu toe zeer lage hoeveelheden silicium in de anodes heeft gebruikt, tussen 5 en 8%. En het benadrukt de deelname van de instelling aan het Europese project 3beLiEVe, "met als doel de positie van de Europese batterij- en auto-industrie in de toekomstige markt voor elektrische voertuigen te versterken door middel van en levering van de eerste generatie batterijen, ontworpen en geproduceerd in Europa. In dit project wordt de introductie van silica in het anodemateriaal onderzocht.
Deze ontwikkeling van het centrum, gelegen in het Álava Technology Park, werd voorafgegaan door de deelname aan een ander uitstekend Europees project Graphene Flagship Core 2, "waar onderzoek werd uitgevoerd naar siliciumanoden in combinatie met grafeen, en erin slaagde deze combinatie van materialen te schalen voor zijn productiemassa".
Nieuwe tijden
Als resultaat van duurzaamheid wijst Cabello erop dat de toename van de energiedichtheid van de batterij het mogelijk zal maken om elektrische voertuigen te hebben met batterijen die meer kilometers kunnen maken om op een enkele lading te besparen: industriële lithium-ionbatterijen in siliciumanoden tot een minimum worden beperkt, is dat de vervaardiging en het proces van deze anoden worden uitgevoerd in een waterig medium, weg van de algemeen gebruikte organische oplosmiddelen, die giftig zijn en de veiligheid van batterijen verminderen”.
Een ander hoogtepunt is dat van Ferroglobe, het Spaanse bedrijf, samen met Little Electric Cars, geselecteerd in het tweede pan-Europese onderzoeks- en innovatieproject (IPCEI) dat de volledige waardeketen van batterijen bestrijkt.
's Werelds grootste producent van siliciummetaal en silicium-mangaan-ferrolegeringen, heeft een wereldwijd klantenbestand in dynamische en snelgroeiende markten zoals zonne-energie, auto-industrie, consumentenproducten, de bouw en de energiesector, met fabrieken in Spanje, Frankrijk, Noorwegen , Zuid-Afrika, de Verenigde Staten, Canada, Argentinië en China (26 productiecentra, met 69 ovens wereldwijd en zo'n 3400 medewerkers wereldwijd) .
In zijn innovatie- en R&D-centrum (in Sabón, La Coruña), samen met de silica-metallurgische fabriek, de enige in Spanje, heeft Ferroglobe een strategisch innovatieplan gelanceerd voor de ontwikkeling van siliciumpoeder (micrometrisch en nanometrisch) voor de anode van lithium -ion batterijen. “Het bedrijf (ze wijzen erop) wil oplossingen bieden voor de huidige uitdaging waar de auto- en mobiliteitsindustrie voor staat, zoals het bevorderen van een transitie naar duurzamere en klimaatneutrale technologieën. In deze context zijn batterijen een sleuteltechnologie voor deze verandering, maar het is noodzakelijk om te zorgen voor de levering van de geavanceerde materialen die nodig zijn om ze te vervaardigen”. Een internationaal scenario waarin silicium wordt neergezet als een van de essentiële materialen van het eerste decennium om de relatie tussen winstgevendheid en duurzaamheid te verhelderen.
