Silikonske anode mišića u tehnologiji na baterije

Silicij je glavna komponenta digitalne revolucije, preusmjeravajući mnoštvo signala na uređaj koji je' vjerojatno u ovom trenutku samo nekoliko centimetara od vaših očiju.

Sada taj isti bogat, jeftin materijal postaje ozbiljan kandidat za veliku ulogu u rastućem poslu s baterijama.' je posebno atraktivan jer' može zadržati 10 puta više energije u važnom dijelu baterije, anodi, od široko korištenog grafita.

Ali ne tako brzo. Iako silicij ima veliku reputaciju među znanstvenicima, sam materijal nabubri kada je' dio baterije. Toliko nabubri da se anoda ljušti i puca, zbog čega baterija gubi sposobnost zadržavanja naboja i na kraju otkazuje.

Sada su znanstvenici prvi put svjedočili tom procesu, važnom koraku prema tome da silicij postane održiv izbor koji bi mogao poboljšati cijenu, performanse i brzinu punjenja baterija za električna vozila, kao i mobitele, prijenosna računala, pametne satove i druge gadgete.

& quot;Mnogi su ljudi zamišljali što bi se moglo dogoditi, ali nitko to prije nije pokazao," rekao je Chongmin Wang, znanstvenik u Pacific Northwest National Laboratory Odjela za energetiku'. Wang je odgovarajući autor članka nedavno objavljenog uNanotehnologija prirode.

Od silikonskih anoda, šalica s maslacem od kikirikija i prepunih putnika u zrakoplovu

Litij ioni su energetska valuta u litij-ionskoj bateriji, putujući naprijed-natrag između dvije elektrode kroz tekućinu koja se naziva elektrolit. Kada litijevi ioni uđu u anodu napravljenu od silicija, probijaju se mišićima u uređenu strukturu, gurajući atome silicija ukoso, poput krepkog putnika u zrakoplovu koji se stisne na srednje sjedalo u prepunom letu. Ovaj"litij iscijediti" čini da anoda nabubri do tri ili četiri puta svoje izvorne veličine.

Kada litijevi ioni odu, stvari se'ne vraćaju u normalu. Prazni prostori poznati kao slobodna mjesta ostaju. Pomaknuti atomi silicija popunjavaju mnoga, ali ne sva, prazna mjesta, poput putnika koji brzo vraćaju prazan prostor kada srednji putnik krene prema zahodu. Ali litijevi ioni se vraćaju, ponovno gurajući svoj put unutra. Proces se ponavlja dok se litijevi ioni kreću naprijed-natrag između anode i katode, a prazni prostori u silicijskoj anodi se spajaju i tvore praznine ili praznine. Ove praznine dovode do kvara baterije.

Znanstvenici su godinama znali za taj proces, ali'prije nisu bili svjedoci kako je to rezultiralo kvarom baterije. Neki su neuspjeh pripisali gubitku silicija i litija. Drugi su krivili zadebljanje ključne komponente poznate kao međufaza čvrstog elektrolita ili SEI. SEI je osjetljiva struktura na rubu anode koja je važan pristupnik između anode i tekućeg elektrolita.

U svojim eksperimentima, tim je promatrao kako se praznine koje ostavljaju litijevi ioni u silicijskoj anodi razvijaju u sve veće i veće praznine. Zatim su gledali kako tekući elektrolit teče u praznine poput sićušnih potočića duž obale, infiltrirajući se u silicij. Ovaj priljev omogućio je da se SEI razvije u područjima unutar silicija gdje ne bi trebao biti' molekularni napadač u dijelu baterije gdje ne pripada'

To je stvorilo mrtve zone, uništavajući sposobnost silicija da pohranjuje litij i uništavajući anodu.

Zamislite šalicu s maslacem od kikirikija u netaknutom obliku: čokolada izvana razlikuje se od mekog maslaca od kikirikija iznutra. Ali ako ga predugo držite u ruci prečvrstim stiskom, vanjska ljuska omekša i pomiješa se s mekom čokoladom iznutra. Ti'ostaješ s jednom neuređenom masom čija se struktura nepovratno mijenja. Više nemate pravu šalicu maslaca od kikirikija. Isto tako, nakon što se elektrolit i SEI infiltriraju u silicij, znanstvenici više nemaju radnu anodu.

Tim je svjedočio kako ovaj proces počinje odmah nakon samo jednog ciklusa baterije. Nakon 36 ciklusa, sposobnost baterije' da zadrži napunjenost dramatično je pala. Nakon 100 ciklusa, anoda je uništena.

Istraživanje obećanja silikonskih anoda

Znanstvenici rade na načinima zaštite silicija od elektrolita. Nekoliko skupina, uključujući znanstvenike s PNNL-a, razvijaju premaze dizajnirane da djeluju kao čuvari vrata, dopuštajući litijevim ionima da uđu i izađu iz anode dok zaustavljaju druge komponente elektrolita.

Znanstvenici iz nekoliko institucija udružili su svoju stručnost kako bi obavili posao. Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos stvorili su silikonske nanožice korištene u studiji. Znanstvenici PNNL-a radili su zajedno s kolegama iz Thermo Fisher Scientifica na modificiranju kriogenog transmisionog elektronskog mikroskopa kako bi se smanjila šteta od elektrona koji se koriste za snimanje. Znanstvenici sa Sveučilišta Penn State razvili su algoritam za simulaciju molekularnog djelovanja između tekućine i silicija.

Sveukupno, tim je koristio elektrone kako bi napravio slike procesa ultra-visoke razlučivosti, a zatim je rekonstruirao slike u 3D, slično kao što liječnici stvaraju 3D sliku uda ili organa pacijenta'.

& quot;Ovaj rad nudi jasan putokaz za razvoj silicija kao anode za bateriju velikog kapaciteta," rekao je Wang.

U PNNL-u rad je dio širokog istraživačkog programa koji istražuje silikonske anode, uključujući originalne materijale poput premaza, nove načine izrade uređaja i novi elektrolit koji produžuje vijek trajanja baterije.

Osim Wanga, drugi PNNL autori rada su Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (također odgovarajući autor) i Ji-Guang (Jason) Zhang.

Izvor priče:

Materijalikoje pružaDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Original napisao Tom Rickey.Napomena: Sadržaj se može uređivati ​​zbog stila i duljine.