Razumijevanje kvara silikona otvara put za istraživanje litijumskih baterija većeg kapaciteta

U litijum-jonskim baterijama od silikonske žice, elektrolit se ljušti od silicijuma, što otežava elektronske puteve i uvelike smanjuje kapacitet punjenja ovih obećavajućih uređaja.

Novi rad (Progresivni rast čvrste materije – elektrolit u industriji je postavio ciljeve za baterije Siano de inter ocean) potvrđuje da ovaj proces otvara nove istraživačke puteve, koristeći na kraju ogroman potencijal silicijuma za potpunu transformaciju visokokapacitetnih i dugotrajnih baterija. -trajne baterije od mobilnih telefona do automobila.

Jinkyoung Yoo, naučnik iz Nacionalne laboratorije u Los Alamosu i odgovarajući autor rada, rekao je da s ovim novim razumijevanjem predlažemo razvoj metode premaza koja izoluje silicijum od elektrolita kako bi se poboljšale performanse litijum-jonskih baterija sa silicijumskom nanožicom. Yoo je uzgajivač poluvodičkih nanomaterijala u Integrisanom tehnološkom centru (CINT), koji je korisnički objekat Odeljenja za energiju u Nacionalnim laboratorijama Los Alamosa i Sandia.

Fotografija silikonskih nanožica uzgojenih na disku od nehrđajućeg čelika (u smjeru kazaljke na satu iz gornjeg lijevog ugla) prikazana je u bočnim, gornjim i makro prikazima. Disk je veličine otprilike četvrtine. Novo istraživanje NatureNanotech-a otkrilo je proces ograničavanja upotrebe silicija u litijum-jonskim baterijama i identifikovalo istraživačke puteve za prevazilaženje ovih problema. Električni kapacitet baterije sa silikonskom anodom je 10 puta veći od kapaciteta baterije sa tipičnom anodom na bazi grafita.

Ovu studiju proveli su saradnici iz niza nacionalnih laboratorija i univerziteta, integrirajući tomografiju osjetljivih elemenata kroz transmisijsku elektronsku mikroskopiju na niskim temperaturama (napredni analitički algoritam) i otkrivajući srodnu strukturu i kemijsku evoluciju silicija, kao i interakcije između čvrsti elektroliti u 3D.

Yoo je posadio šumu silikonskih nanožica na disk od nehrđajućeg čelika kao anodu za eksperimente s baterijama. CINT postrojenje u Los Alamosu ima jedinstvenu sposobnost uzgoja ove vrste silikonske žice direktno na anodi.

I industrijski i nacionalni laboratorijski istraživači vjeruju da je silicij najperspektivniji materijal za negativne elektrode visokog kapaciteta za praktičnu primjenu litijum-jonskih baterija sljedeće generacije. Baterija uključuje anodu koja dovodi elektrone i katodu koja pokreće elektrone kako bi se stvorila struja.

Koristeći anode na bazi grafita i litijum-jonske baterije, domet mobilnih telefona i električnih vozila prelazi 400 milja. Razvoj sljedeće generacije korištenjem silicijskih anoda, za koje se zna da imaju kapacitet skladištenja 10 puta veći od grafitnih anodnih baterija, bio je ometen degradacijom kapaciteta nakon ponovljenog punjenja.

Nakon 100 ciklusa punjenja/pražnjenja, korištenjem silikonskih baterija može se upravljati samo sa 60% njihovog originalnog kapaciteta skladištenja, što nije dovoljno za svakodnevnu tehnologiju.

Do sada niko ne zna tačan razlog.

U ranim primjenama, kada su silikonske sferne čestice bile izložene elektrolitu i napunjene, one bi se proširile za 300% i oštetile anodu. U svim vrstama baterija, proces izlaganja anode elektrolitu proizvodi reakciju za formiranje SEI. SEI je ključan za stabilnost baterije, jer igra ključnu ulogu u elektrohemijskim reakcijama unutar baterije i kontroliše njenu stabilnost.

Kada se SEI odvoji od anode, baš kao što je slučaj sa silicijumom, električni kontakt se prekida i kapacitet baterije se smanjuje.

"Nekada smo mislili da nanožice mogu riješiti problem ekspanzije silicija u elektrolitima jer se jedna žica može rastegnuti, ali nismo razumjeli šta se dogodilo", objasnio je Yoo.

Yoo je rekao da je novo istraživanje otkrilo da elektroliti mogu prodrijeti kroz silicijum, formirajući SEI džepove i ometajući elektronske puteve. Ovaj proces odvaja izolirana silikonska ostrva u anodi koja ne mogu povećati kapacitet baterije. Yoo je rekao da je sljedeći korak istraživanja oblaganje silikonskih čestica ili nanožica kako bi se održao integritet silicija u prisustvu elektrolita.