Dziesięć razy większa pojemność niż grafit, materiał używany do tej pory w akumulatorach litowo-jonowych w celu ułatwienia ładowania. Stąd też prognozowane jest wykorzystanie krzemu w najbliższych latach, zarówno w „smartfonach”, jak i urządzeniach, a także w anodach akumulatorów samochodowych (branża, w której Volkswagen właśnie zapowiedział budowę gigafabryki w Sagunto). do produkcji akumulatorów do samochodów elektrycznych, z przewidywaną generacją 3.000 miejsc pracy). A firmy takie jak Sila Nanotechnologies w Stanach Zjednoczonych potwierdziły rozpoczęcie produkcji swoich pierwszych jednostek akumulatorowych z tym minerałem.
Hiszpania ma kilka ośrodków badawczych zajmujących się tym minerałem, drugim najliczniej występującym w skorupie ziemskiej i bardziej dostępnym niż grafit (jak w wielu innych przypadkach – na przykład „ziemie rzadkie” – z chińską hegemonią), ponieważ jest on obecny w skały lub piasek, a po wydobyciu może rozpocząć swój użyteczny cykl życia.
To właśnie robią we Floatech, wydzieleniu IMDEA Materials (instytut badawczy przy Wspólnocie Madrytu), współfinansowanym przez Juana José Vilatelę i Richarda Schäufele, część Wielofunkcyjnej Grupy Nanokompozytów.
Teraźniejszość i przyszłość
Vilatela, inżynier fizyczny z Universidad Iberoamericana de México i doktorat z Uniwersytetu Cambridge, podkreśla istotę pracy z tym materiałem: a także redukcję wagi i rozmiaru”.
Na znak badacza, innowacja koncentruje się na dopracowaniu procesu, aby był wszechobecny w „prawnym miejscu” większa produkcja, niższa cena… z powrotem zrównoważonej produkcji: „Krzem wymaga procesu przekształcenia w urządzenie, dla które we Floatech eliminuje wszystkie rozpuszczalniki i proces mieszania, dzięki czemu ślad środowiskowy zostanie zmniejszony”. Wizyta w trakcie rundy inwestycyjnej z myślą o budowie pierwszego pilotażowego zakładu w 2023 r. i przygotowaniu produktu do 2025 r. (mają wsparcie Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych w ramach projektu doskonałości w badaniach).
Oczywiście, chociaż krzem ma swoje zalety, to jednak jest to konieczne, jak choćby pękanie z powodu ciągłych zmian objętości typowych dla procesu ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo-jonowych. W tym sensie Carmen Morant, profesor fizyki stosowanej na Autonomicznym Uniwersytecie w Madrycie, podkreśla znaczenie tego minerału: „Jest bardzo obiecujący jako materiał anodowy do akumulatorów litowych, ponieważ jest pierwiastkiem o najwyższej pojemności teoretycznej i bardzo obfite w przyrodzie. Może to być bardzo ważne, na przykład przy magazynowaniu energii odnawialnej. Jednak ze względu na ogromne wahania objętości, które występują podczas wprowadzania/ekstrakcji litu w krzemie, gdzie materiał zwiększa i zmniejsza objętość nawet czterokrotnie, anoda pęka, pęka, a bateria traci stabilność. Z tego powodu badamy, jak wydłużyć żywotność tych baterii poprzez zastosowanie materiałów o niewielkich rozmiarach, takich jak np. cienkie folie krzemowe i nanodruty krzemowe”.
Rozwiązanie było niezbędnym krokiem fizycznym, jak podkreśla Morant, „poprzez pracę ze znacznie cieńszymi warstwami krzemu i wytwarzanie pionowo ułożonych nanodrutów krzemowych. Aby to zobrazować, byłoby to coś w rodzaju kolców bólu, pomiędzy tymi przestrzeniami, które powiększają się w czasie procesów załadunku i rozładunku”. Specjalista podkreśla również, że w tej dziedzinie istnieją dwa rodzaje krzemu: „krystaliczny (droższy i nieopłacalny komercyjnie) oraz amorficzny, bardziej porowaty i można go „domieszkować” wprowadzeniem materiałów, aby nadal był bardziej przewodzący, nad którym badamy we współpracy z Grupą Zdeponowanych Urządzeń Krzemowych, Zakładem Fotowoltaicznej Energii Słonecznej CIEMAT (Centrum Badań Energetycznych, Środowiskowych i Technologicznych)”.
W przypadku Marty Cabello, habilitanta w grupie badawczej Cell Prototyping w CIC energiGUNE, podkreśla, jak do tej pory przemysł wykorzystywał bardzo małe ilości krzemu w anodach, od 5 do 8%. I podkreśla udział instytucji w europejskim projekcie 3beLiEVe, „którego celem jest wzmocnienie pozycji europejskiego przemysłu akumulatorowego i motoryzacyjnego na przyszłym rynku pojazdów elektrycznych poprzez i dostawę pierwszej generacji akumulatorów zaprojektowanych i wyprodukowanych w Europie. W tym projekcie badane jest wprowadzanie krzemionki do materiału anodowego.
Rozwój centrum, zlokalizowanego w Parku Technologicznym Álava, poprzedził udział w innym wybitnym europejskim projekcie Graphene Flagship Core 2, „gdzie przeprowadzono badania nad anodami krzemowymi w połączeniu z grafenem, co pozwoliło na skalowanie tej kombinacji materiałów do jego masa produkcyjna".
Nowe czasy
W wyniku zrównoważonego rozwoju Cabello zwraca uwagę, że wzrost gęstości energii akumulatora umożliwi posiadanie pojazdów elektrycznych z akumulatorami, które będą w stanie zaoferować więcej kilometrów do zaoszczędzenia na jednym ładowaniu: przemysłowe akumulatory litowo-jonowe na anodach krzemowych są ograniczone do minimum, jest to, że produkcja i proces tych anod odbywa się w środowisku wodnym, z dala od powszechnie stosowanych rozpuszczalników organicznych, które są toksyczne i zmniejszają bezpieczeństwo baterii”.
Kolejną atrakcją jest to, że hiszpańska firma Ferroglobe wraz z Little Electric Cars została wybrana w drugim paneuropejskim projekcie badawczo-innowacyjnym (IPCEI), który obejmuje cały łańcuch wartości akumulatorów.
Wiodący światowy producent żelazostopów krzemowo-metalicznych i krzemowo-manganowych, posiada ogólnoświatową bazę klientów na szybko rozwijających się i dynamicznych rynkach, takich jak energia słoneczna, motoryzacyjna, produktów konsumenckich, budownictwo i energetyka, z zakładami produkcyjnymi w Hiszpanii, Francji, Norwegii , RPA, Stany Zjednoczone, Kanada, Argentyna i Chiny (26 centrów produkcyjnych, 69 pieców na całym świecie i około 3400 pracowników na całym świecie) .
W swoim Centrum Innowacji i Badań i Rozwoju (w Sabón, La Coruña), wraz z fabryką metalurgii krzemionki, jedyną w Hiszpanii, Ferroglobe uruchomiło strategiczny plan innowacji dotyczący opracowania proszku krzemowego (mikrometrycznego i nanometrycznego) do anody litowej akumulatory jonowe. „Firma (podkreślają) chce zapewnić rozwiązania dla obecnego wyzwania stojącego przed branżą motoryzacyjną i mobilną, takie jak promowanie przejścia na bardziej zrównoważone i neutralne dla klimatu technologie. W tym kontekście baterie są kluczową technologią dla tej zmiany, ale konieczne jest zapewnienie dostaw zaawansowanych materiałów niezbędnych do ich produkcji”. Scenariusz międzynarodowy, w którym krzem został uznany za jeden z podstawowych materiałów pierwszej dekady, aby wyjaśnić związek między opłacalnością a zrównoważonym rozwojem.
