Forbedring af lithium-ion-batterier med forskning i nanoskala

Ny forskning ledet af en elektroingeniør ved University of California, San Diego sigter mod at forbedre lithium (Li)-ion-batterier gennem mulige nye elektrodearkitekturer med præcise design i nanoskala. Forskerne har præsenteret nanotråde, der blokerer diffusion af lithium over trådens siliciumoverflade og fremmer lag-for-lag aksial lithiation af nanotrådens germaniumkerne.

Shadi Dayeh, en professor i Institut for Elektro- og Computerteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, forklarede, at dette arbejde kunne føre til "en effektiv måde at skræddersy volumenudvidelse af lithium-ion batterielektroder, som potentielt kunne minimere deres revner, forbedre deres holdbarhed, og måske påvirke, hvordan man kunne tænke på forskellige elektrodearkitekturer."

Forskningen blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver i papiret "Tailoring Lithiation Behavior by Interface and Bandgap Engineering at the Nanoscale."

Ved at belægge germanium nanotråde med silicium, forskerne stoppede næsten al overfladediffusion af lithiumioner ind i nanotrådene. I stedet, lithium diffusion, kendt som lithiation, opstod lag for lag langs nanotrådens akse i modsætning til det fra overfladen af ​​nanotråden, som ikke var dækket af silicium.

"Disse resultater viser for første gang, at grænseflade- og båndgab-konstruktion af elektrokemiske reaktioner kan bruges til at kontrollere ioniske transport-/indsættelsesveje i nanoskala og dermed kan være et nyt værktøj til at definere de elektrokemiske reaktioner i Li-ion-batterier, " skriver forskerne i deres Nano Letters-papir.

Se en video, der viser den aksiale lithiation af en siliciumbelagt nanotråds germaniumkerne, samt radial diffusion af lithium til en ubelagt germanium nanotråd. Videoen er fra Dayehs Integrated Electronics and Bio-interfaces Lab ved UC San Diego og samarbejdspartnere på Sandia National Laboratories.

Lyt til en lydsamtale med Shadi Dayeh på SoundCloud.

Dette arbejde bygger på forskning, der viser fremragende kontrol over germanium/silicium (Ge/Si) heterostrukturering, som Dayeh og kolleger for nylig udgav som forsideartikel i Anvendt fysik bogstaver og et følgebrev i journalen Nano bogstaver .

Dayeh dyrkede nanotrådene i sin tid som postdoktor ved Los Alamos National Laboratory (LANL). Lithiation eksperimenter blev udført af to postdoktorale forskere fra Sandia National Laboratories, Drs. Yang Liu og Xiaohua Liu, og Dayehs postdoc-forskere, der arbejder ved LANL. Dayeh formulerede mekanismen og udførte analysen og simuleringerne efter at have tilsluttet sig fakultetet for Electrical and Computer Engineering Department ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Finansieringskilder til denne forskning omfatter Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), et Energy Frontier Research Center (EFRC) finansieret af det amerikanske energiministerium, Los Alamos National Laboratory, Sandia National Laboratories, og UC San Diego.