Silikonové anody v technologii na baterii

Křemík je základem digitální revoluce, přesouvá spoustu signálů na zařízení, které je' v tuto chvíli pravděpodobně jen pár centimetrů od vašich očí.

Nyní se ten samý bohatý, levný materiál stává vážným kandidátem na velkou roli v rozvíjejícím se obchodu s bateriemi.' je obzvláště atraktivní, protože' je schopen pojmout 10krát více energie v důležité části baterie, anodě, než široce používaný grafit.

Ale ne tak rychle. Zatímco křemík má mezi vědci dobrou pověst, samotný materiál bobtná, když je' součástí baterie. Nabobtná natolik, že anoda praskne a praskne, což způsobí, že baterie ztratí schopnost udržet nabití a nakonec selže.

Nyní jsou vědci poprvé svědky tohoto procesu, důležitého kroku k tomu, aby se křemík stal životaschopnou volbou, která by mohla zlepšit cenu, výkon a rychlost nabíjení baterií pro elektrická vozidla, stejně jako mobilní telefony, notebooky, chytré hodinky a další gadgety.

& quot;Mnoho lidí si představovalo, co by se mohlo stát, ale nikdo to předtím ve skutečnosti nepředvedl," řekl Chongmin Wang, vědec z pacifické severozápadní národní laboratoře ministerstva energetiky'. Wang je korespondentem článku nedávno publikovaného vPříroda Nanotechnologie.

Silikonových anod, kelímků s arašídovým máslem a nacpaných cestujících

Lithiové ionty jsou energetickou měnou v lithium-iontové baterii, která se pohybuje tam a zpět mezi dvěma elektrodami kapalinou nazývanou elektrolyt. Když ionty lithia vstoupí do anody vyrobené z křemíku, pronikají do uspořádané struktury a tlačí atomy křemíku nakřivo, jako když se statný pasažér v letadle mačká na prostředním sedadle v nabitém letu. Toto"lithium squeeze" způsobí, že anoda nabobtná na trojnásobek nebo čtyřnásobek původní velikosti.

Když ionty lithia odejdou, věci se nevrátí do normálu. Zůstávají prázdná místa známá jako volná místa. Vytěsněné atomy křemíku zaplňují mnoho, ale ne všechna, volná místa, jako když cestující rychle berou prázdný prostor zpět, když prostřední cestující zamíří na toaletu. Ale ionty lithia se vrátí a znovu se protlačí dovnitř. Proces se opakuje, když se ionty lithia pohybují tam a zpět mezi anodou a katodou a prázdné prostory v křemíkové anodě se spojují a vytvářejí dutiny nebo mezery. Tyto mezery se promítají do selhání baterie.

Vědci o tomto procesu věděli roky, ale předtím nebyli svědky toho, jak přesně to vede k selhání baterie. Někteří připisují neúspěch ztrátě křemíku a lithia. Jiní obviňují ztluštění klíčové složky známé jako interfáze pevná látka-elektrolyt neboli SEI. SEI je jemná struktura na okraji anody, která je důležitou bránou mezi anodou a kapalným elektrolytem.

Ve svých experimentech tým sledoval, jak se volná místa zanechaná ionty lithia v křemíkové anodě vyvíjejí do větších a větších mezer. Pak sledovali, jak kapalný elektrolyt proudí do mezer jako drobné potůčky podél pobřeží a proniká do křemíku. Tento přítok umožnil SEI vyvinout se v oblastech uvnitř křemíku, kde by neměl být' molekulární útočník v části baterie, kam' nepatří.

To vytvořilo mrtvé zóny, zničilo schopnost křemíku ukládat lithium a zničilo anodu.

Představte si šálek s arašídovým máslem v nedotčeném tvaru: Čokoláda zvenčí se liší od měkkého arašídového másla uvnitř. Pokud jej ale držíte v ruce příliš dlouho s příliš pevným sevřením, vnější obal změkne a smísí se s jemnou čokoládou uvnitř. Vám' zůstala jediná neuspořádaná hmota, jejíž struktura se nevratně změnila. Už nemáte skutečný pohár arašídového másla. Stejně tak poté, co elektrolyt a SEI infiltrují křemík, vědci již nemají funkční anodu.

Tým byl svědkem toho, že tento proces začal ihned po jediném cyklu baterie. Po 36 cyklech se schopnost baterie' dramaticky snížila. Po 100 cyklech byla anoda zničena.

Zkoumání příslibu křemíkových anod

Vědci pracují na způsobech, jak chránit křemík před elektrolytem. Několik skupin, včetně vědců z PNNL, vyvíjí povlaky navržené tak, aby fungovaly jako strážce brány, což umožňuje iontům lithia vstupovat do anody a vystupovat z anody a zastavovat ostatní složky elektrolytu.

Vědci z několika institucí spojili své odborné znalosti, aby mohli pracovat. Vědci z Los Alamos National Laboratory vytvořili křemíkové nanodrátky použité ve studii. Vědci PNNL spolupracovali s protějšky v Thermo Fisher Scientific na úpravě kryogenního transmisního elektronového mikroskopu, aby se snížilo poškození způsobené elektrony používanými pro zobrazování. A vědci z Penn State University vyvinuli algoritmus pro simulaci molekulárního působení mezi kapalinou a křemíkem.

Celkově tým použil elektrony k vytvoření snímků procesu s ultra vysokým rozlišením a poté snímky rekonstruoval ve 3D, podobně jako lékaři vytvářejí 3D obraz končetiny nebo orgánu pacienta'

& quot;Tato práce nabízí jasný plán pro vývoj křemíku jako anody pro vysokokapacitní baterii," řekl Wang.

V PNNL je práce součástí širokého výzkumného programu zkoumajícího křemíkové anody, včetně originálních materiálů, jako jsou povlaky, nové způsoby výroby zařízení a nový elektrolyt, který prodlužuje životnost baterie.

Kromě Wanga jsou dalšími autory článku z PNNL Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (také odpovídající autor) a Ji-Guang (Jason) Zhang.

Zdroj příběhu:

MateriályposkytujeDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Originál napsal Tom Rickey.Poznámka: Obsah lze upravit z hlediska stylu a délky.