Silicium-carbon elektroder snapper, svulme, pop ikke

En undersøgelse, der undersøger en ny type silicium-carbon nanokompositelektrode, afslører detaljer om, hvordan de fungerer, og hvordan gentagen brug kunne slide dem ned. Undersøgelsen giver også fingerpeg om, hvorfor dette materiale klarer sig bedre end silicium alene. Med en elektrisk kapacitet fem gange højere end konventionelle lithiumbatterielektroder, silicium-carbon nanokompositelektroder kan føre til længerevarende, billigere genopladelige batterier til elbiler.

Udgivet online i tidsskriftet Nano bogstaver sidste uge, undersøgelsen omfatter videoer af elektroderne, der oplades ved opløsning i nanometerskala. At se dem i brug kan hjælpe forskerne med at forstå materialets styrker og svagheder.

"Elektroderne udvider sig, når de bliver opladet, og det forkorter batteriets levetid, " sagde ledende forsker Chongmin Wang ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. "Vi ønsker at lære, hvordan man kan forbedre deres levetid, fordi silicium-kulstof nanofiberelektroder har et stort potentiale for genopladelige batterier."

Plus &Minus

Silicium har både fordele og ulemper til brug som batterimateriale. Den har en høj kapacitet til energilagring, så det kan tage en stor afgift. Siliciums problem, selvom, er, at den svulmer op, når den oplades, udvides op til 3 gange dens udledte størrelse. Hvis siliciumelektroder er pakket tæt ind i et batteri, denne udvidelse kan få batterierne til at briste. Nogle forskere udforsker elektroder i nanostørrelse, der fungerer bedre i så snævre rammer.

En multi-institution gruppe ledet af PNNL's Wang besluttede at teste nano-størrelse elektroder bestående af carbon nanofibre belagt med silicium. Kulstoffets høje ledningsevne, som lader elektricitet flyde, komplementerer fint siliciums høje kapacitet, som opbevarer det.

Forskere ved DOE's Oak Ridge National Laboratory i Oak Ridge, Tenn., Applied Sciences Inc. i Cedarville, Ohio, og General Motors Global R&D Center i Warren, Mich. skabte kulstof nanofibre med et tyndt lag silicium viklet rundt. De leverede elektroderne til holdet på PNNL for at undersøge deres adfærd, mens de fungerede.

Først, Wang og kolleger testede, hvor meget lithium elektroderne kunne holde, og hvor længe de holdt, ved at sætte dem i et lille testbatteri kaldet en halvcelle. Efter 100 opladnings-afladningscyklusser, elektroderne holdt stadig en meget god kapacitet på omkring 1000 milliAmp-timer pr. gram materiale, fem til ti gange kapaciteten af ​​konventionelle elektroder i lithium-ion-batterier.

Selvom de klarede sig godt, holdet havde mistanke om, at udvidelsen og sammentrækningen af ​​silicium kunne være et problem for batteriets levetid, da udspænding har en tendens til at slide tingene op. For at bestemme, hvor godt elektroderne modstår den gentagne strækning, Wang satte en specialdesignet, lille batteri ind i et transmissionselektronmikroskop, som kan se objekter nanometer brede, i DOE's EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus.

De zoomede ind på det lille batteris elektrode ved hjælp af et nyt mikroskop, der blev finansieret af Recovery Act. Dette mikroskop gjorde det muligt for holdet at studere elektroden i brug, og de tog billeder og video, mens det lille batteri blev opladet og afladet.

Ikke krystalglas

Tidligere arbejde har vist, at opladning får lithium-ioner til at strømme ind i siliciumet. I dette studie, lithiumionerne strømmede ind i siliciumlaget langs kulstofnanofiberens længde med en hastighed på omkring 130 nanometer i sekundet. Dette er omkring 60 gange hurtigere end silicium alene, tyder på, at det underliggende kulstof forbedrer siliciums opladningshastighed.

Som forventet, siliciumlaget svulmede op omkring 300 procent, da lithium trængte ind. Imidlertid, kombinationen af ​​kulstofstøtten og siliciumets ustrukturerede kvalitet tillod det at svulme jævnt. Dette kan sammenlignes med silicium alene, som svulmer ujævnt, forårsager ufuldkommenheder.

Ud over hævelse, lithium er kendt for at forårsage andre ændringer i silicium. Kombinationen af ​​lithium og silicium danner i starten en ustruktureret, glasagtigt lag. Derefter, når forholdet mellem lithium og silicium når 15 til 4, det glasagtige lag krystalliserer hurtigt, som tidligere arbejde fra andre forskere har vist.

Wang og kolleger undersøgte krystallisationsprocessen i mikroskopet for bedre at forstå den. I mikroskopvideoen, de kunne se krystallisationen skride frem, efterhånden som lithiumet fyldte i siliciumet og nåede forholdet 15 til 4.

De fandt ud af, at denne krystallisering er forskellig fra den klassiske måde, hvorpå mange stoffer krystalliserer, som bygger fra et udgangspunkt. Hellere, lithium- og siliciumlaget snappede ind i en krystal på én gang, da forholdet ramte præcist 15 til 4. Beregningsmæssige analyser af denne krystallisation bekræftede dens snappy karakter, en type krystallisation kendt som kongruent faseovergang.

Men krystalliseringen var ikke permanent. Ved udskrivning, holdet fandt ud af, at krystallaget blev glasagtigt igen, da koncentrationen af ​​lithium faldt på vej ud af siliciumet.

For at afgøre, om gentagen brug efterlod sit præg på elektroden, holdet opladede og afladede det lille batteri 4 gange. Sammenligning af det samme område af elektroden mellem den første og fjerde opladning, holdet så overfladen blive ru, ligner en vej med huller.

Overfladeændringerne skyldtes sandsynligvis lithium-ioner, der efterlod en smule skade i deres kølvand ved afladning, sagde Wang. "Vi kan se elektrodens overflade gå fra glat til ru, når vi oplader og aflader den. Vi tænker, mens den cykler, der opstår små defekter, og fejlene akkumuleres."

Men det faktum, at siliciumlaget er meget tyndt, gør det mere holdbart end tykkere silicium. I tykt silicium, hullerne, som lithium-ioner efterlader, kan samles og danne store hulrum. "I det nuværende design, fordi silicium er så tyndt, du får ikke større hulrum, ligesom små gasbobler i lavt vand kommer op til overfladen. Hvis vandet er dybt, boblerne kommer sammen og danner større bobler."

I det fremtidige arbejde, forskere håber at kunne udforske tykkelsen af ​​siliciumlaget og hvor godt det binder sig til det underliggende kulstof for at optimere elektrodernes ydeevne og levetid.