Силициеви аноди Мускул в технологията на батерията

Силиконът е основен елемент на дигиталната революция, прехвърляйки множество сигнали на устройство, което'вероятно е само на сантиметри от очите ви в този момент.

Сега същият изобилен, евтин материал се превръща в сериозен кандидат за голяма роля в процъфтяващия бизнес с батерии. Той'е особено привлекателен, защото'може да задържи 10 пъти повече енергия във важна част от батерията, анода, отколкото широко използвания графит.

Но не толкова бързо. Докато силицийът има добра репутация сред учените, самият материал набъбва, когато' е част от батерия. Той набъбва толкова много, че анодът се лющи и се напуква, което води до загуба на способността на батерията да задържа заряд и в крайна сметка да се повреди.

Сега учените станаха свидетели на процеса за първи път, важна стъпка към превръщането на силиция в жизнеспособен избор, който може да подобри цената, производителността и скоростта на зареждане на батериите за електрически превозни средства, както и за мобилни телефони, лаптопи, смарт часовници и други джаджи.

& quot;Много хора са си представяли какво може да се случи, но никой не го беше демонстрирал преди," каза Чонгмин Уанг, учен от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория на Министерството на енергетиката'. Уанг е съответен автор на статията, публикувана наскоро вПриродни нанотехнологии.

От силициеви аноди, чаши с фъстъчено масло и опаковани пътници от авиокомпанията

Литиеви йони са енергийната валута в литиево-йонна батерия, която пътува напред-назад между два електрода през течност, наречена електролит. Когато литиевите йони влязат в анод, направен от силиций, те си пробиват мускулно път в подредената структура, избутвайки силициевите атоми накриво, като здрав пътник от авиокомпания, притискащ се на средната седалка в пълен полет. Това"литиево изстискване" кара анода да набъбне до три или четири пъти неговия първоначален размер.

Когато литиевите йони си тръгнат, нещата'не се връщат към нормалното. Остават празни места, известни като свободни места. Изместените силициеви атоми запълват много, но не всички, от свободните места, като пътниците бързо заемат празното пространство, когато средният пътник се насочва към тоалетната. Но литиевите йони се връщат, пробивайки си път отново. Процесът се повтаря, когато литиевите йони се движат напред-назад между анода и катода, а празните пространства в силициевия анод се сливат, за да образуват кухини или празнини. Тези пропуски водят до повреда на батерията.

Учените са знаели за процеса от години, но преди това' не са били свидетели как точно води до повреда на батерията. Някои приписват провала на загубата на силиций и литий. Други обвиняват сгъстяването на ключов компонент, известен като интерфаза на твърд електролит или SEI. SEI е деликатна структура на ръба на анода, която е важен шлюз между анода и течния електролит.

В своите експерименти екипът наблюдава как празните места, оставени от литиеви йони в силициевия анод, се развиват във все по-големи и по-големи празнини. После наблюдаваха как течният електролит се стича в пролуките като малки ручейчета по бреговата линия, инфилтрирайки силиция. Този приток позволи на SEI да се развие в области в силиция, където не би трябвало да бъде' молекулярно нахлуване в част от батерията, където не принадлежи'

Това създава мъртви зони, унищожавайки способността на силиция да съхранява литий и разрушавайки анода.

Помислете за чаша с фъстъчено масло в девствена форма: Шоколадът отвън се различава от мекото фъстъчено масло вътре. Но ако го държите в ръката си твърде дълго с прекалено здраво захващане, външната обвивка омекотява и се смесва с мекия шоколад вътре. Вие'оставате с една неуредена маса, чиято структура се променя необратимо. Вече нямате истинска чаша с фъстъчено масло. По същия начин, след като електролитът и SEI проникнат в силиция, учените вече нямат работещ анод.

Екипът стана свидетел, че този процес започва веднага след един цикъл на батерията. След 36 цикъла, способността на батерията' да задържа заряд е намаляла драстично. След 100 цикъла анодът беше разрушен.

Изследване на обещанието на силициевите аноди

Учените работят върху начини за защита на силиция от електролита. Няколко групи, включително учени от PNNL, разработват покрития, предназначени да действат като вратар, позволявайки на литиевите йони да влизат и излизат от анода, като същевременно спират други компоненти на електролита.

Учени от няколко институции обединиха своя опит, за да извършат работата. Учени от Националната лаборатория в Лос Аламос създадоха силициевите нанопроводници, използвани в изследването. Учените от PNNL работиха заедно с колеги от Thermo Fisher Scientific, за да модифицират криогенен трансмисионен електронен микроскоп, за да намалят щетите от електроните, използвани за изображения. И учените от Penn State University разработиха алгоритъм за симулиране на молекулярното действие между течността и силиция.

Като цяло екипът използва електрони, за да направи изображения с ултра висока разделителна способност на процеса и след това реконструира изображенията в 3D, подобно на това как лекарите създават 3D изображение на крайник или орган на пациент'.

& quot;Тази работа предлага ясна пътна карта за разработване на силиций като анод за батерия с голям капацитет," каза Уанг.

В PNNL работата е част от широка изследователска програма, изследваща силициеви аноди, включително оригинални материали като покрития, нови начини за производство на устройствата и нов електролит, който увеличава живота на батерията.

В допълнение към Уанг, други автори на PNNL на статията включват Ян Хе, Яобин Сю, Хайпин Джия, Ран И, Миао Сонг, Сяолин Ли (също съответен автор) и Джи-Гуанг (Джейсън) Джанг.

Източник на историята:

Материалипредоставена отDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Оригинал, написан от Том Рики.Забележка: Съдържанието може да бъде редактирано за стил и дължина.