امروزه راهکارهای مختلفی برای بهبود باتری‌های لیتیم-یون وجود دارند که میتوانند منجر به افزایش کاربرد باتریها در موبایلها، لپتاپها و خودروهای الکتریکی شوند. در حالیکه باتری‌های لیتیم-یون در سالیان گذشته رونق چشمگیری داشتند ولی به نظر میرسد که در سال 2019 رشد فوقالعادهای را به سبب گسترش استفاده از سیلیکون تجربه کنند.
دلیل این امر به برخی عوامل الکتروشیمیایی مربوط میشود. باتری‌های لیتیم-یون از طریق تحرک یونهای لیتیم بین دو الکترود کار میکنند که در اثر شارژ یونهای لیتیم را در آند ذخیره میکند و اگر بتوان لیتیم بیشتری ذخیره کرد، انرژی بیشتری هم حاصل میشود. در باتری‌های امروزی از آند گرافیتی استفاده میشود که لیتیم به فرم LiC6 در الکترود ذخیره شده و هر اتم لیتیم با 6 اتم کربن احاطه میشود.
محققان باتری چند سالی است که در صدد استفاده از سیلیکون به جای کربن در آند باتری هستند؛ زیرا ترکیب یونهای لیتیم با سیلیکون، ترکیب Li15Si4 را حاصل میکند. این نسبت 15 به 4 به این معناست که مقدار کمتری ماده آندی برای ذخیره لیتیم نیاز است. فلذا آندهای سیلیکونی ظرفیت بیشتری را تأمین خواهند کرد.
منتها مشکل این است که ذرات سیلیکون با افزایش حجم 300 درصدی در واکنش با لیتیم همراه هستند. لذا تکرار روند شارژ-دشارژ باتری منجر به تخریب ساختار آند خواهد شد. از طرفی، سطح واکنشپذیری هم بر روی آند ایجاد میشود که میتواند با الکترولیت واکنش داده و باعث تخریب باتری گردد. لذا باعث کاهش عمر باتری‌های لیتیم-یون خواهد شد.
خوشبختانه این مشکلی نیست که نتوان حل کرد. حتی امروزه برخی باتری‌های لیتیم-یون از ذرات سیلیکون در ترکیب آند استفاده میکنند که با کربن پوشیده شده است. ایلان ماسک در سال 2016 نشان داد که باتری‌های لیتیوم-یون تسلا با این روش ساخته شدهاند. البته مقدار سیلیکون در آندهای امروزی بسیار کم است.
با وجود این انتظارات، شرکت نانوفناوری Sila برنامه دارد تا نوعی آند غنی از سیلیکون را تجاری‌سازی کند که در سال 2019 به تولید انبوه خواهد رسید.
با توجه به نوع کاربرد، استفاده از این ماده آندی ظرفیت باتری را در ابتدا تا 20 درصد افزایش خواهد داد و در نهایت هم به میزان 40 درصد یا بیشتر بهبود انجام میشود. همچنین با این روش، ضخامت آند نیز به میزان 67 درصد کاهش یافته و در نهایت امکان شارژ باتری را تا 9 برابر سریعتر فراهم میکند. همین امر موجب افزایش ایمنی باتری خواهد شد زیرا از تشکیل دندریتهای فلزی جلوگیری میکند. موادی که در این آند استفاده میشوند متشکل از ذرات هم اندازه با گرافیت هستند. اما این مواد حاوی ذرات سیلیکون در یک شبکه متخلخل هستند که فضای کافی را برای تغییر حجم سیلیکون فراهم کرده و برهمکنشی هم با الکترولیت ایجاد نمیکنند. بنابراین باتری که با این آندهای غنی از سیلیکون تهیه میشوند 400 تا 1000 چرخه شارژ-دشارژ را بطور کامل میتوانند طی کنند که پاسخگوی بسیاری از کاربردهاست. حتی خودروهای الکتریکی بیش از 1000 چرخه را طی نمیکنند.
همین موضوع علاقه شرکت BMW را برانگیخت که با همکاری با شرکت Sila بتواند از این باتری‌های لیتیومی استفاده کند. در غیر اینصورت، محصولات اولیه این باتریها در اقلام پوششی استفاده خواهند شد، زیرا قیمت باتری خیلی نمیتواند تعیینکننده باشد و به مقدار ماده آندی کمتری هم نیاز است؛ فلذا این شرکت بهتر میتواند به نیاز مشتریان پاسخ دهد. انتظار میرود که باتری‌های لیتیم-یون حاوی این آندهای سیلیکونی در میلیونها وسیله در سال 2019 استفاده شوند.
احتمالاً شرکت Sila تنها شرکتی نخواهد بود که از فناوری آند سیلیکونی در باتری لیتیم-یون استفاده کند. مثلاً شرکت دیگری با نام Enovix هم انتظار دارد که آندی را معرفی کند که تماماً از سیلیکون و سیلیکون دیاکسید ساخته شده است. در فناوری بکار رفته در محصولات این شرکت از ورقه فلزی به جای ویفر سیلیکون برای باتری استفاده میشود. در واقع با استفاده از انباشته کردن آند و اعمال فشار بالا از تغییر حجم در اثر شارژ-دشارژ جلوگیری شده و امکان تهیه آند تمام سیلیکونی را فراهم میکند. انتظار میرود که در این صورت بازده باتری 30 تا 70 درصد افزایش یابد.
اگر موفقیت محصولات شرکت Enovix یا Sila با آند سیلیکونی به اثبات برسد، رونق چشمگیری در صنعت باتری به وقوع میپیوندد.
