Кремнієві аноди м’язів в технології на батареї

Кремній є основним продуктом цифрової революції, шунтуючим навантаженням сигналів на пристрої, які'ймовірно, в цей самий момент знаходяться лише в дюймах від ваших очей.

Тепер той самий багатий і дешевий матеріал стає серйозним кандидатом на велику роль у розвивається бізнесі акумуляторів. Він' особливо привабливий, оскільки' здатний утримувати в 10 разів більше енергії у важливій частині батареї, аноді, ніж широко використовуваний графіт.

Але не так швидко. У той час як кремній має високу репутацію серед вчених, сам матеріал набухає, коли він' є частиною батареї. Він набухає настільки, що анод розшаровується і тріскається, через що акумулятор втрачає здатність утримувати заряд і в кінцевому підсумку виходить з ладу.

Тепер вчені вперше стали свідками цього процесу, що стало важливим кроком до того, щоб кремній був життєздатним вибором, який може підвищити вартість, продуктивність і швидкість зарядки акумуляторів для електромобілів, а також мобільних телефонів, ноутбуків, смарт-годинників та інших гаджетів.

& quot;Багато людей уявляли, що може статися, але ніхто насправді цього раніше не демонстрував," сказав Чонмін Ван, науковець із Тихоокеанського північно-західної національної лабораторії Департаменту енергетики' Ван є відповідним автором статті, нещодавно опублікованої вПрирода Нанотехнології.

З кремнієвих анодів, чашок з арахісовим маслом і упакованих пасажирів авіакомпанії

Іони літію є енергетичною валютою в літій-іонній батареї, яка переміщається між двома електродами через рідину, яка називається електролітом. Коли іони літію потрапляють в анод з кремнію, вони м’язами прокладають собі шлях до впорядкованої структури, розштовхуючи атоми кремнію навскіс, як товстий пасажир авіакомпанії, що втискається на середнє сидіння в заповненому рейсі. Цей"літієвий стис" змушує анод набухати в три або чотири рази від початкового розміру.

Коли іони літію відходять, усе'не повертається в норму. Залишаються порожні місця, відомі як вакансії. Зміщені атоми кремнію заповнюють багато, але не всі вільні місця, як пасажири, які швидко повертають порожній простір, коли середній пасажир прямує до туалету. Але іони літію повертаються, знову пробиваючись. Процес повторюється, коли іони літію рухаються вперед і назад між анодом і катодом, а порожні місця в кремнієвому аноді зливаються, утворюючи порожнечі або зазори. Ці прогалини призводять до виходу з ладу акумулятора.

Вчені знали про цей процес роками, але раніше вони' не були свідками того, як саме він призводить до виходу з ладу акумулятора. Деякі пов’язують збій втратою кремнію та літію. Інші звинувачують згущення ключового компонента, відомого як інтерфаза твердого електроліту або SEI. SEI — це ніжна структура на краю анода, яка є важливим шлюзом між анодом і рідким електролітом.

У своїх експериментах команда спостерігала, як вільні місця, залишені іонами літію в кремнієвому аноді, еволюціонували у все більші і більші проміжки. Потім вони спостерігали, як рідкий електроліт втікає в щілини, як крихітні струмочки вздовж берегової лінії, проникаючи в кремній. Цей приплив дозволив SEI розвиватися в областях кремнію, де він не повинен бути' молекулярним загарбником у частині батареї, де він не належить'

Це створювало мертві зони, руйнуючи здатність кремнію зберігати літій і руйнуючи анод.

Подумайте про чашку з арахісовим маслом у первісній формі: шоколад зовні відрізняється від м’якого арахісового масла всередині. Але якщо ви тримаєте його в руці занадто міцно, зовнішня оболонка розм’якшується і змішується з м’яким шоколадом всередині. Ви'залишилися з єдиною невпорядкованою масою, структура якої незворотно змінена. У вас більше немає справжньої чашки арахісового масла. Аналогічно, після того, як електроліт і SEI проникли в кремній, у вчених більше немає робочого анода.

Команда стала свідком того, що цей процес почався відразу після одного циклу роботи акумулятора. Після 36 циклів здатність акумулятора' утримувати заряд різко впала. Після 100 циклів анод зіпсувався.

Дослідження перспективи кремнієвих анодів

Вчені працюють над способами захисту кремнію від електроліту. Кілька груп, у тому числі вчених з PNNL, розробляють покриття, призначені для роботи як воротар, дозволяючи іонам літію входити та виходити з анода, зупиняючи інші компоненти електроліту.

Вчені з кількох установ об’єднали свій досвід для виконання роботи. Вчені з Лос-Аламосської національної лабораторії створили кремнієві нанодроти, використані в дослідженні. Вчені PNNL працювали разом із колегами з Thermo Fisher Scientific, щоб модифікувати кріогенний просвічуючий електронний мікроскоп, щоб зменшити шкоду від електронів, які використовуються для візуалізації. А вчені з університету штату Пенсильванія розробили алгоритм для імітації молекулярної дії між рідиною та кремнієм.

Загалом, команда використовувала електрони для створення зображень процесу з надвисокою роздільною здатністю, а потім реконструювала зображення в 3D, подібно до того, як лікарі створюють 3D-зображення кінцівки або органу пацієнта'.

& quot;Ця робота пропонує чітку дорожню карту для розробки кремнію як анода для акумулятора великої ємності," — сказав Ван.

Робота PNNL є частиною широкої дослідницької програми з вивчення кремнієвих анодів, включаючи оригінальні матеріали, такі як покриття, нові способи виготовлення пристроїв і новий електроліт, який збільшує термін служби акумулятора.

На додаток до Ван, інші автори статті PNNL включають Ян Хе, Яобінь Сю, Хайпін Цзя, Ран І, Мяо Сун, Сяолінь Лі (також відповідний автор) і Цзі-Гуан (Джейсон) Чжан.

Джерело історії:

МатеріализабезпечуєтьсяDOE/Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія. Оригінал написаний Томом Рікі.Примітка. Вміст можна редагувати за стилем та довжиною.