Silikónové anódy v technológii batérie

Kremík je základom digitálnej revolúcie a presúva množstvo signálov na zariadenie, ktoré je' v tomto okamihu pravdepodobne len niekoľko centimetrov od vašich očí.

Teraz sa ten istý bohatý, lacný materiál stáva vážnym kandidátom na veľkú úlohu v rozvíjajúcom sa obchode s batériami.' je obzvlášť atraktívny, pretože' je schopný udržať 10-krát viac energie v dôležitej časti batérie, anóde, ako široko používaný grafit.

Ale nie tak rýchlo. Zatiaľ čo kremík má medzi vedcami dobrú povesť, samotný materiál napučiava, keď je' súčasťou batérie. Nabobtná natoľko, že anóda praskne a praskne, čo spôsobí, že batéria stratí schopnosť udržať nabitie a nakoniec zlyhá.

Vedci sú teraz svedkami tohto procesu po prvýkrát, čo je dôležitý krok smerom k tomu, aby sa kremík stal životaschopnou voľbou, ktorá by mohla zlepšiť náklady, výkon a rýchlosť nabíjania batérií pre elektrické vozidlá, ako aj mobilné telefóny, notebooky, inteligentné hodinky a ďalšie zariadenia.

& quot;Mnoho ľudí si predstavovalo, čo by sa mohlo stať, ale nikto to predtým v skutočnosti neukázal," povedal Chongmin Wang, vedec z Národného laboratória severozápadného Pacifiku ministerstva energetiky'. Wang je korešpondujúcim autorom článku, ktorý bol nedávno publikovaný vPríroda nanotechnológie.

Zo silikónových anód, pohárov s arašidovým maslom a zabalených cestujúcich v leteckej spoločnosti

Lítiové ióny sú energetickou menou v lítium-iónovej batérii, ktorá sa pohybuje tam a späť medzi dvoma elektródami cez kvapalinu nazývanú elektrolyt. Keď lítiové ióny vstúpia do anódy vyrobenej z kremíka, preniknú do usporiadanej štruktúry, pričom atómy kremíka tlačia nakřivo, ako keď sa statný pasažier v lietadle stláča na prostrednom sedadle. Toto"lítium stláčanie" spôsobí nafúknutie anódy na troj- alebo štvornásobok pôvodnej veľkosti.

Keď lítiové ióny odídu, veci sa nevrátia do normálu. Zostávajú prázdne miesta známe ako voľné miesta. Vytlačené atómy kremíka zapĺňajú mnohé, ale nie všetky, voľné miesta, ako keď cestujúci rýchlo berú späť prázdny priestor, keď prostredný cestujúci zamieri na toaletu. Ale lítiové ióny sa vracajú a opäť sa tlačia dovnútra. Proces sa opakuje, keď sa lítiové ióny pohybujú tam a späť medzi anódou a katódou a prázdne priestory v kremíkovej anóde sa spájajú a vytvárajú dutiny alebo medzery. Tieto medzery sa premietajú do zlyhania batérie.

Vedci o tomto procese vedia už roky, ale predtým neboli presne svedkami toho, ako to vedie k zlyhaniu batérie. Niektorí pripisujú zlyhanie strate kremíka a lítia. Iní obviňujú zhrubnutie kľúčovej zložky známej ako interfáza tuhých elektrolytov alebo SEI. SEI je jemná štruktúra na okraji anódy, ktorá je dôležitou bránou medzi anódou a kvapalným elektrolytom.

Vo svojich experimentoch tím sledoval, ako sa voľné miesta zanechané lítiovými iónmi v kremíkovej anóde vyvíjali do väčších a väčších medzier. Potom sledovali, ako tekutý elektrolyt prúdi do medzier ako drobné riečky pozdĺž pobrežia a preniká do kremíka. Tento prítok umožnil SEI rozvinúť sa v oblastiach v rámci kremíka, kde by nemal byť' molekulárny útočník v časti batérie, kam' nepatrí.

To vytvorilo mŕtve zóny, ktoré zničili schopnosť kremíka uchovávať lítium a zničili anódu.

Predstavte si pohár s arašidovým maslom v nedotknutom tvare: Čokoláda zvonka sa líši od mäkkého arašidového masla vo vnútri. Ale ak ho držíte v ruke príliš dlho s príliš pevným úchopom, vonkajší obal zmäkne a zmieša sa s jemnou čokoládou vo vnútri. Vám' zostala jediná neusporiadaná hmota, ktorej štruktúra sa nenávratne zmenila. Už nemáte skutočný pohár arašidového masla. Podobne po infiltrácii elektrolytu a SEI do kremíka vedci už nemajú funkčnú anódu.

Tím bol svedkom, že tento proces sa začal ihneď po jednom cykle batérie. Po 36 cykloch sa schopnosť batérie' dramaticky znížila. Po 100 cykloch bola anóda zničená.

Skúmanie prísľubu silikónových anód

Vedci pracujú na spôsoboch, ako chrániť kremík pred elektrolytom. Niekoľko skupín, vrátane vedcov z PNNL, vyvíja povlaky navrhnuté tak, aby fungovali ako strážcovia, čo umožňuje lítiovým iónom prechádzať do anódy a von z nej, pričom zastavuje ostatné zložky elektrolytu.

Vedci z niekoľkých inštitúcií spojili svoje odborné znalosti, aby vykonali prácu. Vedci z Národného laboratória v Los Alamos vytvorili kremíkové nanodrôty použité v štúdii. Vedci PNNL spolupracovali s kolegami z Thermo Fisher Scientific na úprave kryogénneho transmisného elektrónového mikroskopu, aby sa znížilo poškodenie spôsobené elektrónmi používanými na zobrazovanie. Vedci z Penn State University vyvinuli algoritmus na simuláciu molekulárneho pôsobenia medzi kvapalinou a kremíkom.

Celkovo tím použil elektróny na vytvorenie snímok procesu s ultravysokým rozlíšením a potom zrekonštruoval snímky v 3D, podobne ako lekári vytvárajú 3D obraz končatiny alebo orgánu pacienta'

& quot;Táto práca ponúka jasný plán vývoja kremíka ako anódy pre vysokokapacitnú batériu," povedal Wang.

V PNNL je práca súčasťou širokého výskumného programu skúmajúceho kremíkové anódy vrátane originálnych materiálov, ako sú povlaky, nové spôsoby výroby zariadení a nový elektrolyt, ktorý zvyšuje životnosť batérie.

Okrem Wanga sú ďalšími autormi článku z PNNL Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (tiež zodpovedajúci autor) a Ji-Guang (Jason) Zhang.

Zdroj príbehu:

MateriályposkytujeDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Originál napísal Tom Rickey.Poznámka: Štýl a dĺžku obsahu možno upraviť.