Mięśnie anod krzemowych w technologii zasilania bateryjnego

Krzem jest podstawą cyfrowej rewolucji, przerzucając ładunki sygnałów na urządzenie, które' prawdopodobnie znajduje się w tej chwili zaledwie kilka centymetrów od twoich oczu.

Teraz ten sam obfity, tani materiał staje się poważnym kandydatem do odgrywania dużej roli w rozwijającym się biznesie baterii. Jest to' szczególnie atrakcyjne, ponieważ' jest w stanie utrzymać 10 razy więcej energii w ważnej części baterii, anodzie, niż powszechnie stosowany grafit.

Ale nie tak szybko. Podczas gdy krzem cieszy się dobrą opinią wśród naukowców, sam materiał pęcznieje, gdy' jest częścią baterii. Pęcznieje tak bardzo, że anoda łuszczy się i pęka, powodując, że akumulator traci zdolność do utrzymywania ładunku i ostatecznie ulega awarii.

Teraz naukowcy po raz pierwszy byli świadkami tego procesu, ważnego kroku w kierunku uczynienia z krzemu realnego wyboru, który mógłby poprawić koszty, wydajność i szybkość ładowania baterii do pojazdów elektrycznych, a także telefonów komórkowych, laptopów, inteligentnych zegarków i innych gadżetów.

& „Wiele osób wyobrażało sobie, co może się wydarzyć, ale nikt wcześniej tego nie zademonstrował, &”; powiedział Chongmin Wang, naukowiec z Departamentu Energii's Pacific Northwest National Laboratory. Wang jest autorem-korespondentem artykułu opublikowanego niedawno wNanotechnologia przyrody.

Anod krzemowych, kubków z masłem orzechowym i zapakowanych pasażerów linii lotniczych

Jony litu są walutą energetyczną w akumulatorze litowo-jonowym, przemieszczając się tam iz powrotem między dwiema elektrodami przez ciecz zwaną elektrolitem. Kiedy jony litu dostają się do anody wykonanej z krzemu, wciskają się w uporządkowaną strukturę, popychając atomy krzemu krzywo, jak krzepki pasażer linii lotniczych wciskający się na środkowe siedzenie w wypełnionym locie. To"wyciskanie litu" powoduje, że anoda pęcznieje trzy lub cztery razy w stosunku do pierwotnej wielkości.

Kiedy jony litu odchodzą, rzeczy' nie wracają do normy. Pozostają puste przestrzenie zwane wakatami. Przemieszczone atomy krzemu wypełniają wiele, ale nie wszystkie, wolne miejsca, tak jak pasażerowie szybko zabierają pustą przestrzeń, gdy środkowy pasażer udaje się do toalety. Ale jony litu powracają, ponownie wpychając się do środka. Proces powtarza się, gdy jony litu poruszają się tam iz powrotem między anodą i katodą, a puste przestrzenie w anodzie krzemowej łączą się, tworząc puste przestrzenie lub szczeliny. Te luki przekładają się na awarię baterii.

Naukowcy wiedzieli o tym procesie od lat, ale' wcześniej nie byli świadkami dokładnie, jak prowadzi to do awarii baterii. Niektórzy przypisują niepowodzenie utracie krzemu i litu. Inni obwiniają o pogrubienie kluczowego składnika znanego jako interfaza stałego elektrolitu lub SEI. SEI to delikatna struktura na krawędzi anody, która jest ważną bramą między anodą a ciekłym elektrolitem.

W swoich eksperymentach zespół obserwował, jak luki pozostawione przez jony litu w anodzie krzemowej ewoluowały w coraz większe luki. Potem obserwowali, jak płynny elektrolit spływa do szczelin jak maleńkie strumyki wzdłuż linii brzegowej, infiltrując krzem. Ten napływ umożliwił rozwój SEI w obszarach krzemu, do których nie powinien być' molekularny najeźdźca w części baterii, do której nie należy'

To stworzyło martwe strefy, niszcząc zdolność krzemu do przechowywania litu i niszcząc anodę.

Pomyśl o filiżance z masłem orzechowym o nieskazitelnym kształcie: czekolada na zewnątrz różni się od miękkiego masła orzechowego w środku. Ale jeśli trzymasz go w dłoni zbyt długo, zbyt mocnym chwytem, ​​zewnętrzna powłoka zmięknie i zmiesza się z miękką czekoladą w środku.'zostajesz z pojedynczą nieuporządkowaną masą, której struktura ulega nieodwracalnej zmianie. Nie masz już prawdziwego kubka z masłem orzechowym. Podobnie, gdy elektrolit i SEI przenikną do krzemu, naukowcy nie mają już działającej anody.

Zespół był świadkiem, jak ten proces rozpoczyna się natychmiast po jednym cyklu baterii. Po 36 cyklach zdolność akumulatora' do utrzymywania ładunku dramatycznie spadła. Po 100 cyklach anoda uległa zniszczeniu.

Odkrywanie obietnicy anod krzemowych

Naukowcy pracują nad sposobami ochrony krzemu przed elektrolitem. Kilka grup, w tym naukowcy z PNNL, opracowuje powłoki przeznaczone do pełnienia funkcji strażników, umożliwiających jonom litu wchodzenie i wychodzenie z anody, jednocześnie zatrzymując inne składniki elektrolitu.

Naukowcy z kilku instytucji połączyli swoją wiedzę specjalistyczną, aby wykonać tę pracę. Naukowcy z Laboratorium Narodowego Los Alamos stworzyli nanoprzewody krzemowe wykorzystywane w badaniach. Naukowcy z PNNL pracowali wspólnie z odpowiednikami z Thermo Fisher Scientific nad modyfikacją kriogenicznego transmisyjnego mikroskopu elektronowego, aby zmniejszyć uszkodzenia elektronów wykorzystywanych do obrazowania. Naukowcy z Penn State University opracowali algorytm symulujący oddziaływanie molekularne między cieczą a krzemem.

W sumie zespół wykorzystał elektrony do wykonania obrazów procesu w ultrawysokiej rozdzielczości, a następnie zrekonstruował obrazy w 3D, podobnie jak lekarze tworzą trójwymiarowy obraz kończyny lub narządu pacjenta'.

& quot;Ta praca przedstawia jasny plan rozwoju krzemu jako anody dla baterii o dużej pojemności," powiedział Wang.

W PNNL prace są częścią szerokiego programu badawczego badającego anody krzemowe, w tym oryginalne materiały, takie jak powłoki, nowe sposoby wytwarzania urządzeń oraz nowy elektrolit, który wydłuża żywotność baterii.

Oprócz Wanga, inni autorzy PNNL tego artykułu to Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (również autor korespondencyjny) i Ji-Guang (Jason) Zhang.

Źródło historii:

Materiałydostarczone przezDOE / Krajowe laboratorium północno-zachodniego Pacyfiku. Oryginał napisany przez Toma Rickeya.Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.