Pii ja hiilellä seostettu pii anodimateriaalina akuissa

Abstract

Tässä opinnäytetyössä etsittiin Science Direct -artikkelitietokannan avulla piin ja hiilellä seostetun piin valmistusmenetelmiä anodiksi laboratoriomittakaavassa ja vertailtiin anodien laatua. Työhön ei sisältynyt löydettyjen menetelmien testaamista käytännössä. Opinnäytetyö perustuu Centria-ammattikorkeakoululla Kokkolassa olleeseen työharjoittelujaksoon, joka järjestettiin kesällä 2024 osana CASBAT-projektia. CASBAT-projekti on kansainvälinen pohjoismaihin sijoittuva tutkimus- ja kehitysprojekti “Cascading use of side streams to produce sustainable battery chemicals”, jossa tutkitaan piin käyttöä akkumateriaalina sekä piin saatavuutta luonnosta. Työharjoittelun ohjaajina toimivat Egidija Rainosalo ja Emilia Niittyviita.

Piillä on korkea alkukapasiteetti, mutta yksinään se ei todennäköisesti sovellu anodimateriaaliksi: pii paisuu akun lataamisen ja purkamisen aikana, mikä aiheuttaa epästabiilin SEI-kerroksen ja anodiin syntyy halkeamia. Paisuminen ja halkeilu ilmenee kapasiteetin laskuna lataus- ja pur-kusyklien aikana. Hiilellä ja / tai grafiitilla seostaminen vähentää paisumista ja halkeilua. Joustava sidosaine, esimerkiksi guarkumi saattaa myös olla ratkaisu pulmaan.

This thesis studied silicon and carbon mixed silicon anode synthesis on a laboratory scale with the help of Science Direct article database and compared those anodes. The found methods were not tested in practice in this work. The thesis was based on an internship in the Summer of 2024 which was a part of international CASBAT project at Centria University of Applied Science. The CASBAT project “Cascading use of side streams to produce sustainable battery chemicals” studied the use of silicon in battery materials and its availability in the nature of northern countries. The instructors of the internship were Egidija Rainosalo and Emilia Niittyviita.

Silicon has high initial capacity but it does not seem to be suitable as an anode material by itself, because silicon swells during charge and discharge cycles. Swelling leads to unstable SEI layer and cracking and the capacity decreases during charge and discharge cycling. Mixing silicon with carbon and/ or graphite can ease the swelling and cracking. Also using a flexible binder material, for example guargum can be a solution to the problem.