Forlænger levetiden for siliciumelektroder med høj kapacitet i genopladelige lithiumbatterier

En ny undersøgelse vil hjælpe forskere med at skabe længerevarende, lithium genopladelige batterier med højere kapacitet, som normalt bruges i forbrugerelektronik. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , forskere viste, hvordan en belægning, der gør siliciumelektroder med høj kapacitet mere holdbar, kan føre til en udskiftning af grafitelektroder med lavere kapacitet.

"At forstå, hvordan belægningen fungerer, giver os en indikation af den retning, vi skal bevæge os i for at overvinde problemerne med siliciumelektroder, "sagde materialeforsker Chongmin Wang fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory i Pacific.

Takket være dets høje potentiale for elektrisk kapacitet, silicium er en af ​​de hotteste ting i udviklingen af ​​lithium -ion -batterier i disse dage. Udskiftning af grafitelektroden i genopladelige lithiumbatterier med silicium kan øge kapaciteten ti gange, får dem til at holde mange timer længere, før de løber tør for juice. Problemet? Siliciumelektroder er ikke særlig holdbare - efter et par dusin genopladninger, de kan ikke længere holde strøm.

Det skyldes dels, hvordan silicium optager lithium - som en svamp. Ved opladning, lithium infiltrerer siliciumelektroden. Lithium får siliciumelektroden til at svulme op til tre gange sin oprindelige størrelse. Muligvis som følge af hævelsen eller af andre ukendte årsager, siliconen går i stykker og går i stykker.

Forskere har brugt elektroder bestående af små siliciumkugler, der er omkring 150 nanometer brede - cirka tusind gange mindre end et menneskehår - til at overvinde nogle af begrænsningerne for silicium som en elektrode. Den lille størrelse lader silicium oplade hurtigt og grundigt - en forbedring i forhold til tidligere siliciumelektroder - men afhjælper kun delvist brudproblemet.

Sidste år, materialeforsker Chunmei Ban og hendes kolleger på National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, og University of Colorado, Boulder fandt ud af, at de kunne dække siliciumnanopartikler med en gummilignende belægning fremstillet af aluminiumglycerol. De belagte siliciumpartikler varede mindst fem gange længere - ubelagte partikler døde i 30 cyklusser, men de belagte bærer stadig en ladning efter 150 cyklusser.

Forskere vidste ikke, hvordan denne belægning forbedrede ydeevnen af ​​siliciumnanopartikler. Nanopartiklerne vokser naturligvis en hård skal af siliciumoxid på deres overflade, ligesom rustfrit stål danner et beskyttende lag af chromoxid på overfladen. Ingen forstod, om oxidlaget forstyrrede elektrodeydelsen, og i så fald hvordan den gummiagtige belægning forbedrede det.

For bedre at forstå, hvordan belægningen fungerede, PNNL's Wang og kolleger, herunder forbud, vendte sig til ekspertise og et unikt instrument på EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science User Facility på PNNL.

Bans gruppe - som udviklede belægningen til siliciumelektroder, kaldet alucone, og er i øjeblikket den eneste gruppe, der kan skabe aluconovertrukne siliciumpartikler-tog billeder med stor forstørrelse af partiklerne i et elektronmikroskop. Men Wangs team har et mikroskop, der kan se partiklerne i aktion, mens de bliver anklaget og udskrevet. Så, Yang He fra University of Pittsburgh udforskede de belagte siliciumnanopartikler i aktion på EMSL.

Teamet opdagede, at uden aluconbelægning, oxidskallen forhindrer silicium i at ekspandere og begrænser, hvor meget lithium partiklen kan optage, når et batteri oplades. På samme tid, de fandt ud af, at aluconbelægningen blødgør partiklerne, gør det lettere for dem at ekspandere og krympe med lithium.

Og de mikroskopiske billeder afslørede noget andet - den gummiagtige alucon erstatter det hårde oxid. Det gør det muligt for silicium at ekspandere og trække sig sammen under opladning og afladning, forhindrer brud.

"Vi var overraskede over, at oxidet blev fjernet, "sagde Wang." Normalt er det svært at fjerne et oxid. Du skal bruge syre til at gøre det. Men denne molekylære aflejringsmetode, der dækker partiklerne, ændrede fuldstændigt det beskyttende lag. "

Ud over, partiklerne med oxidskallerne har en tendens til at smelte sammen under opladning, øge deres størrelse og forhindre lithium i at trænge igennem silicium. Den gummiagtige belægning holdt partiklerne adskilt, giver dem mulighed for at fungere optimalt.

I fremtiden, forskerne vil gerne udvikle en lettere metode til belægning af siliciumnanopartiklerne.