Et spring i at bruge silicium til batterianoder

Det samme materiale, du finder på spidsen af ​​en blyant-grafit-har længe været en vigtig komponent i nutidens lithium-ion-batterier. Når vores afhængighed af disse batterier stiger, imidlertid, grafitbaserede elektroder skal opdateres. For det, forskere ser på elementet i kernen af ​​den digitale revolution:silicium.

Forskere ved U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory har fundet en ny måde at bruge denne lovende, men problematiske energilagringsingrediens på. Silicium, bruges i computerchips og mange andre produkter, er tiltalende, fordi den kan rumme 10 gange den elektriske ladning pr. gram i forhold til grafit. Problemet er, silicium ekspanderer kraftigt, når det støder på lithium, og det er for svagt til at modstå presset ved fremstilling af elektroder.

For at løse disse spørgsmål, et team ledet af PNNL-forskere Ji-Guang (Jason) Zhang og Xiaolin Li udviklede en unik nanostruktur, der begrænser siliciums ekspansion og samtidig forstærker det med kulstof. Deres arbejde, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , kunne informere om nye design af elektrodematerialer til andre typer batterier og i sidste ende bidrage til at øge lithium-ion-batteriernes energikapacitet i elbiler, elektroniske anordninger, og andet udstyr.

Tager ulemperne ud af silicium

En ledende og stabil form for kulstof, grafit er velegnet til at pakke lithiumioner ind i et batteris anode, når det oplades. Silicium kan optage mere lithium end grafit, men det har en tendens til at ballonere omkring 300 procent i volumen, får anoden til at bryde fra hinanden. Forskerne skabte en porøs form af silicium ved at samle små siliciumpartikler i mikrosfærer med en diameter på cirka 8 mikrometer - omtrent på størrelse med en rød blodlegeme.

"Et solidt materiale som sten, for eksempel, går i stykker, hvis den vokser for meget i volumen, "Sagde Zhang." Det, vi skabte, er mere svampeagtigt, hvor der er plads indeni til at absorbere ekspansionen. "

Elektroden med porøs siliciumstruktur udviser en ændring i tykkelse på mindre end 20 procent, mens den rummer dobbelt så meget ladning som en typisk grafitanode, undersøgelsen fundet. Imidlertid, i modsætning til tidligere versioner af porøst silicium, mikrosfærerne udviste også ekstraordinær mekanisk styrke, takket være kulnanorør, der får kuglerne til at ligne garnkugler.

Superstærke mikrosfærer

Forskerne skabte strukturen i flere trin, startende med at belægge carbon nanorørene med siliciumoxid. Næste, nanorørene blev sat i en emulsion af olie og vand. Derefter blev de opvarmet til kogning.

"De belagte carbon -nanorør kondenserer til kugler, når vandet fordamper, "sagde Li." Derefter brugte vi aluminium og højere varme til at omdanne siliciumoxidet til silicium, efterfulgt af nedsænkning i vand og syre for at fjerne biprodukter. "Det, der fremkommer af processen, er et pulver, der består af de små siliciumpartikler på overfladen af ​​kulstofnanorør.

De porøse siliciumsfærers styrke blev testet ved hjælp af proben i et atomkraftmikroskop. Forfatterne fandt ud af, at en af ​​de nanoserede garnkugler "kan give lidt og miste en vis porøsitet under meget høj komprimeringskraft, men det går ikke i stykker. "

Dette tegner godt til kommercialisering, fordi anodematerialer skal kunne håndtere høj kompression i ruller under fremstilling. Det næste trin, Zhang sagde, er at udvikle mere skalerbare og økonomiske metoder til fremstilling af siliciummikrosfærerne, så de en dag kan finde vej til den næste generation af højtydende lithium-ion-batterier.