Siliciumanoder Muscle in On Battery Technology

Silicium er en fast bestanddel af den digitale revolution, og shunter masser af signaler på en enhed, som'sandsynligvis kun er tommer fra dine øjne i dette øjeblik.

Nu er det samme rigelige, billige materiale ved at blive en seriøs kandidat til en stor rolle i den spirende batterivirksomhed. Det'er særligt attraktivt, fordi det'er i stand til at holde 10 gange så meget energi i en vigtig del af et batteri, anoden, end udbredt grafit.

Men ikke så hurtigt. Mens silicium har et svulmende ry blandt videnskabsmænd, svulmer selve materialet, når det'er en del af et batteri. Det svulmer så meget, at anoden flager og revner, hvilket får batteriet til at miste sin evne til at holde en ladning og i sidste ende svigte.

Nu har forskere set processen for første gang, et vigtigt skridt hen imod at gøre silicium til et levedygtigt valg, der kan forbedre omkostningerne, ydeevnen og opladningshastigheden af ​​batterier til elektriske køretøjer såvel som mobiltelefoner, bærbare computere, smarture og andre gadgets.

& quot;Mange mennesker har forestillet sig, hvad der kunne ske, men ingen havde faktisk demonstreret det før," sagde Chongmin Wang, en videnskabsmand ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. Wang er en tilsvarende forfatter til avisen, der for nylig er udgivet iNatur nanoteknologi.

Af siliciumanoder, jordnøddesmørkopper og pakkede flypassagerer

Lithium-ioner er energivalutaen i et lithium-ion-batteri, der bevæger sig frem og tilbage mellem to elektroder gennem væske kaldet elektrolyt. Når lithiumioner trænger ind i en anode lavet af silicium, bevæger de sig ind i den velordnede struktur og skubber siliciumatomerne skævt, som en kraftig flypassager, der klemmer sig ind på det midterste sæde på en pakket fly. Denne"lithium squeeze" får anoden til at svulme op til tre eller fire gange dens oprindelige størrelse.

Når lithium-ionerne forsvinder, vender tingene'ikke tilbage til det normale. Der er stadig tomme pladser, kendt som ledige stillinger. Fordrevne siliciumatomer udfylder mange, men ikke alle, ledige stillinger, ligesom passagerer hurtigt tager det tomme rum tilbage, når den midterste passager går mod toilettet. Men lithium-ionerne vender tilbage og presser sig vej ind igen. Processen gentages, mens lithium-ionerne løber frem og tilbage mellem anoden og katoden, og de tomme rum i siliciumanoden smelter sammen og danner hulrum eller huller. Disse huller oversættes til batterifejl.

Forskere har kendt til processen i årevis, men de havde't før været vidne til præcis, hvordan det resulterer i batterisvigt. Nogle har tilskrevet fejlen tabet af silicium og lithium. Andre har givet skylden for fortykkelsen af ​​en nøglekomponent kendt som fast-elektrolyt-interfasen eller SEI. SEI er en delikat struktur ved kanten af ​​anoden, der er en vigtig gateway mellem anoden og den flydende elektrolyt.

I sine eksperimenter så holdet, hvordan de ledige pladser, som lithiumioner efterlod i siliciumanoden, udviklede sig til større og større huller. Så så de, hvordan den flydende elektrolyt strømmede ind i hullerne som små bønder langs en kystlinje og infiltrerede siliciumet. Denne tilstrømning gjorde det muligt for SEI at udvikle sig i områder inden for silicium, hvor det ikke burde' være en molekylær invaderer i en del af batteriet, hvor det'ikke hører hjemme.

Det skabte døde zoner, ødelagde siliciumets evne til at lagre lithium og ødelægger anoden.

Tænk på en jordnøddesmørkop i uberørt form: Chokoladen udenpå er forskellig fra den bløde jordnøddesmør indeni. Men hvis du holder den for længe i hånden med et for stramt greb, blødgøres den ydre skal og blandes med den bløde chokolade indeni. Du'er tilbage med en enkelt uordnet masse, hvis struktur ændres irreversibelt. Du har ikke længere en ægte jordnøddesmørkop. Ligeledes, efter at elektrolytten og SEI har infiltreret siliciumet, har forskerne ikke længere en brugbar anode.

Holdet oplevede, at denne proces begyndte umiddelbart efter kun én battericyklus. Efter 36 cyklusser var batteriets's evne til at holde en opladning faldet dramatisk. Efter 100 cyklusser var anoden ødelagt.

Udforsker løftet om siliciumanoder

Forskere arbejder på måder at beskytte silicium mod elektrolytten. Flere grupper, herunder forskere ved PNNL, udvikler belægninger designet til at fungere som gatekeepere, hvilket tillader lithiumioner at gå ind og ud af anoden, mens de stopper andre komponenter i elektrolytten.

Forskere fra flere institutioner samlede deres ekspertise til at udføre arbejdet. Forskere ved Los Alamos National Laboratory skabte siliciumnanotrådene, der blev brugt i undersøgelsen. PNNL-forskere arbejdede sammen med modparter hos Thermo Fisher Scientific for at modificere et kryogent transmissionselektronmikroskop for at reducere skaderne fra elektronerne, der bruges til billeddannelse. Og Penn State University-forskere udviklede en algoritme til at simulere den molekylære virkning mellem væsken og silicium.

Alt i alt brugte holdet elektroner til at lave ultrahøjopløselige billeder af processen og rekonstruerede derefter billederne i 3D, svarende til hvordan læger laver et 3D-billede af en patients's lem eller organ.

& quot;Dette arbejde tilbyder en klar køreplan for udvikling af silicium som anode til et batteri med høj kapacitet," sagde Wang.

Hos PNNL er arbejdet en del af et bredt forskningsprogram, der udforsker siliciumanoder, herunder originale materialer som belægninger, nye måder at fremstille enhederne på og en ny elektrolyt, der forlænger batteriets levetid.

Ud over Wang omfatter andre PNNL-forfattere af papiret Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (også en tilsvarende forfatter) og Ji-Guang (Jason) Zhang.

Historiens kilde:

Materialerleveret afDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Original skrevet af Tom Rickey.Bemærk: Indholdet kan redigeres for stil og længde.