Løft af låget på silikonebatterier

(Phys.org) — At løse mysteriet om, hvad der sker inde i batterier, når silicium kommer i kontakt med lithium, kan fremskynde kommercialiseringen af ​​næste generations højkapacitetsbatterier, til brug i mobiltelefoner og andre applikationer.

Næste generations batterier baseret på silicium er kommet et skridt tættere på den kommercielle virkelighed, efter at mysteriet omkring, hvad der sker inde i batterier, når silicium kommer i kontakt med lithium, er blevet forstået i hidtil uset detalje. Siliciumbaseret teknologi ville i høj grad udvide kapaciteten af ​​batterierne, der bruges i mobiltelefoner, elbiler og andre applikationer.

Ved at bruge en kombination af nanoteknologi og nuklear magnetisk resonans (NMR) teknikker, forskere har udviklet et nyt sonderingssystem, der giver et overblik over, hvad der sker inde i batterierne på atomniveau, muliggør større kontrol over materialernes egenskaber.

Silicium er blevet foreslået som erstatning for kulstof i batterianoder (negative elektroder) i de sidste 20 år, da det har omkring ti gange mere lagerkapacitet end kulstof. Imidlertid, vanskeligheder med at styre siliciums egenskaber har forhindret teknologien i at blive anvendt i stor skala.

Det primære problem ved at bruge silicium i et lithium-ion batteri er, at silicium atomer absorberer lithium atomer, og silicium udvider sig op til tre gange i volumen, nedbrydning af batteriet. Selvom det er blevet lettere at kontrollere denne udvidelse i løbet af det sidste årti, en manglende forståelse for, hvad der sker inde i batterierne, og hvad der styrer reaktionerne, har fortsat holdt siliciumbatterier tilbage.

Forskere ved University of Cambridge har udviklet en ny metode til at sondere siliciumbatterier og fastslået, hvad der får udvidelsen til at finde sted. Resultaterne er rapporteret i 3. februar-udgaven af ​​tidsskriftet Naturkommunikation .

"Den mest grundlæggende udfordring for at levere sådanne højkapacitetsbatterier er at forstå de reaktioner, der foregår inde i dem, " sagde hovedforfatter Dr. Ken Ogata fra Department of Engineering.

Ved at bruge nanoskala ledninger lavet af silicium og NMR-teknikker, forskerne udviklede et robust modelsystem, der kunne rumme siliciumets ekspansion over flere cyklusser, og integreret det med kortdistance sonderingsteknikker, der afslører, hvad der sker inde i batteriet på atomniveau. Holdet fandt ud af, at reaktionerne fortsætter med interaktioner af forskellige størrelser af siliciumnetværk og -klynger, energetik, som til dels styrer reaktionens vej.

Ved at bruge disse kombinerede teknikker, forskerne var i stand til at udvikle et 'kort' over, hvordan silicium omdannes, når det kommer i kontakt med lithium i et batteri. Den indsigt, som teknologien åbner, vil sætte skub i den videre udvikling af siliciumbatterier, da det bliver lettere for ingeniører at kontrollere deres egenskaber.

"Brug af denne teknik vil hjælpe med at gøre batteridesign meget mere systematisk, og mindre forsøg og fejl, " sagde Dr. Ogata. "De nanotrådbaserede batterier kombineret med NMR-systemet gjorde det muligt for os at følge reaktionskinetikken over flere cyklusser med forskellige cykelstrategier. Vigtigt, den indsigt, som den nye teknologi opnår, er relevant for de nuværende avancerede silicium-carbon-kompositanoder og vil føre til yderligere udvikling af anoderne."

Denne alsidige nanotråd-baserede teknologi kan anvendes til andre batterisystemer såsom tin- og germanium-baserede lithium-ion-batterier og natrium-ion-batterier, og undersøgelser er i øjeblikket i gang med NMR-spektroskopi under en lang række elektrokemiske regimer.