For mange elektroner ved lithiationsfronten i silicium er et problem

(Phys.org) – Allestedsnærværende, men frustrerende, lithium-ion-batterier falmer, fordi materialerne mister deres struktur som reaktion på opladning og afladning. Denne strukturelle ændring er tæt forbundet med dannelsen af ​​elektronrige områder i elektroden, ifølge forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Kinas Universitet for Elektronisk Videnskab og Teknologi, Northwestern University, og Rensselaer Polytekniske Institut. Holdet brugte eksperimenter og molekylære simuleringer til at vise, at den elektronrige region får siliciumbindinger til at bryde. Bindingsbrud omdanner krystallinsk silicium til en amorf legering af lithium og silicium.

"Det var fuldstændig uklart, hvad der foregik, selvom mange artikler beskrev, hvordan indsættelse af lithiumioner i materialer fører til amorfisering, " sagde Dr. Fei Gao, en kemisk fysiker og en tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "Vi foreslår, at lokale elektronrige forhold inducerer amorfisering."

Som enhver ejer af en mobiltelefon ved, lithium-ion-batterier falmer, lagre mindre energi hver gang de oplades. Over tid, et batteri falder til det punkt, at det skal udskiftes, til både miljømæssige og økonomiske omkostninger. Denne undersøgelse forklarer, hvad der er blevet set igen og igen i eksperimenter:drift af batterier med silicium, Zinkoxid, germanium, eller visse andre isoleringsmaterialer fører til amorfiserede elektroder, men aluminium eller andre metaller forbliver en krystallinsk legering. Denne undersøgelses resultater kunne hjælpe med at designe længerevarende materialer til ikke kun mobiltelefoner, men også til elbiler.

"Det stadigt voksende energibehov til information og transport afhænger af fremskridtene inden for energilagringsteknikker, såsom lithium-ion-batterier på grund af deres relativt høje energitæthed og designfleksibilitet. Rettidig udvikling af et bedre batteri er drivkraften for at skabe nye materialer til energilagring, " sagde Dr. Chongmin Wang, kemisk billeddannelsesekspert ved PNNL og efterforsker i denne undersøgelse.

Når et lithium-ion batteri oplades, lithium-ioner indsættes i anoden, en proces kendt som lithiation. Anodens ioner begynder med at være arrangeret i et veldefineret gitter, men i visse tilfælde udvikle sig til et amorft virvar. I dette studie, forskerne brugte fosfor-doterede silicium nanotrådanoder. Nanotrådene blev dyrket på DOE's Center for Integrated Nanotechnologies, ved Los Alamos National Laboratory og Northwestern University, ved hjælp af kemisk dampaflejring.

Holdet tog nanotrådene til DOE's EMSL, placeret på PNNL, og samlede dem til et lille batteri inde i et aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskop og observerede lithiation, ved gitteropløsning. De så yderligere opførselen af ​​disse regioner med scanning transmission elektronmikroskopi billeder og elektron energi tab spektroskopi kort. For at supplere eksperimentelle observationer, de studerede metal-baserede elektroder ved hjælp af en storstilet tæthed funktionel teori molekylær dynamik metode og så krystaller dannes. Holdet undersøgte også de reaktioner, der resulterer i krystallinsk lithiumsilicid under elektronrige forhold.

De opdagede, at amorforisering altid starter ved grænseflader mellem silicium og en lithium-silicium legering, hvor en lokaliseret høj koncentration af elektroner forekommer. For at tilpasse sig de ekstra elektroner og et højt niveau af lithiumioner, der kommer ind i gitteret, bindingerne mellem siliciumatomer i det krystallinske gitter brydes. De brudte bindinger skaber isolerede siliciumatomer og fører til de uordnede faser.

"Ekspertise inden for både lithium-ion-batterier og kemisk billedbehandling gav os fordelen, " sagde Dr. Louis Terminello, der leder Chemical Imaging Initiative på PNNL, hovedsponsor for denne undersøgelse.

Forskerne udfører beregningssimuleringer for at understøtte eksperimenter, der tager sigte på fuldt ud at forstå batterier. For eksempel, de fortsætter med at udforske grafens adfærd, et materiale af stor interesse i energilagringen. Også, de laver beregningsarbejde med eksperimenter for at belyse ioners adfærd i materialer til det genopladelige lithium-ion-batteri, specifikt lithium-nikkel-manganoxid-katoden.