Ny metode til billeddannelse af siliciumanodenedbrydning kan føre til bedre batterier

En ny metode til at karakterisere den strukturelle og kemiske udvikling af silicium og et tyndt lag, der styrer batteriets stabilitet, kan hjælpe med at løse problemer, der forhindrer brug af silicium til højkapacitetsbatterier, ifølge en gruppe forskere.

Forskningen fokuserer på anodens grænseflade, en negativ elektrode, og elektrolytten, som gør det muligt for ladningen at bevæge sig mellem anoden og den anden elektrode, katoden. Et fast-elektrolyt interfase (SEI) lag dannes normalt på overfladen af ​​en elektrode mellem den faste elektrode og den flydende elektrolyt og er afgørende for den elektrokemiske reaktion i batterier, sammen med styring af batteriets stabilitet. Brug af silicium som anode ville muliggøre et bedre genopladeligt batteri.

"I de sidste 10 år, silicium har tiltrukket sig stor opmærksomhed som en højkapacitets negativ elektrode til genopladelige batterier, " sagde Sulin Zhang, professor i ingeniørvidenskab og mekanik og i bioteknik. "Nuværende kommercialiserede batterier bruger grafit som et anodemateriale, men kapaciteten af ​​silicium er omkring 10 gange grafit. Der er titusinder af millioner, endda hundreder af millioner, af dollars investeret i forskning i siliciumbatterier på grund af dette."

Dette er gode nyheder for et samfund, der ønsker at elektrificere sin infrastruktur med elektriske køretøjer og kraftfuld bærbar elektronik, imidlertid, der er en udfordring. Under processen med at oplade og aflade batteriet, volumen af ​​silicium udvider og krymper, hvilket fører til, at siliciummaterialet revner, og SEI vil smuldre og regenerere igen og igen. Dette fører til tab af elektrisk kontakt og forringelse af kapacitet, mængden af ​​opladning lagret af batteriet.

At forstå præcis, hvordan denne proces udfolder sig både strukturelt og kemisk er afgørende for at løse problemet.

"Fordi stabiliteten af ​​dette lag styrer stabiliteten af ​​batteriet, du ønsker ikke, at dette skal vokse ukontrolleret, fordi skabelsen af ​​dette lag vil forbruge elektrolytmateriale såvel som aktivt lithium, " sagde Zhang. "Og dette kan føre til udtørring af elektrolytter og tab af aktive materialer, så du har en negativ effekt på batteriets ydeevne."

Den store udfordring, som Zhang og hans team påtog sig, offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi , var i stand til at observere, karakterisere og forstå denne proces.

"SEI-laget er så kritisk for batteriet, " sagde Zhang. "Men den er meget tynd, usynlig af ethvert optisk mikroskop og udvikler sig dynamisk under batteriets cykling. Det kunne være tilgængeligt for et transmissionselektronmikroskop, som kan bruges til meget nanoskala, meget tynde materialer. Men for en SEI, Dette lag er ret blødt og ødelægges let på elektronstrålerne, fordi du skal sende en masse elektroner for at få et højopløseligt billede af materialekomponenterne."

For at overvinde dette, forskerne brugte kryogen scanningstransmissionselektronmikroskopi (cryo-STEM). De holdt de cykliske elektrodematerialer ved kryogene temperaturer under forberedelse og billeddannelse med et kryo-STEM-mikroskop for at minimere prøveskader fra elektronstrålen. Ud over, de integrerede følsom elementær tomografi til 3D-billeddannelse, og en avanceret algoritme designet til at fange billeder ved en lavere elektrondosis. Denne teknik muliggjorde en 3D-visning af SEI-silicium-interaktionen, taget efter forskellige antal battericykling.

"Det unikke aspekt af vores metode er kryo-STEM-billeddannelse og multipel fysisk procesmodellering, " sagde Zhang. "Vi kan visualisere udviklingen af ​​silicium og SEI efter den cykliske drift af batteriet; parallelt kan vi rekapitulere hele den mikrostrukturelle udviklingsproces under cykling ved hjælp af beregningssimuleringer. Det er nyheden i denne forskning."

Holdets arbejde har ført til en bedre forståelse af de mekanismer, der forårsager vækst og ustabilitet af SEI-laget i en siliciumanode.

"Så, med forståelsen af ​​vækstmekanismen i SEI-laget, det vil give os en masse indsigt i, hvordan vi kan forbedre ydeevnen af ​​siliciumanode eller batteridesignet, " sagde Zhang. "Så kan vi skabe en mere robust siliciumanode til den næste generation af lithiumbatterier."

Denne næste generation af lithium-batterier ville have flere fordele for både industrien og den gennemsnitlige forbruger, forklarede han.

"Silicon er meget rigeligt, og hvis vi kan bruge silicium som anode med en lang cykluslevetid, vi vil dramatisk øge kapaciteten af ​​et genopladeligt batteri, " sagde Zhang. "Og, fordi silicium er rigeligt, det vil bringe prisen på batterier ned."

Bevæbnet med den kritiske forståelse af SEI-lagets udvikling under opladning og afladning i et batteri med en siliciumanode, Zhang sagde, at det næste trin vil være at bruge den viden til at hjælpe med at designe et siliciumanodebatteri, der ikke mister kapacitet ved cykling.

"Med forståelsen af ​​den underliggende mekanisme, Det næste skridt er at fremstille en videnskabelig hypotese, " sagde Zhang. "Og så vil vi teste denne hypotese med siliciumanoder, så vi kan afbøde den skadelige effekt forbundet med volumenændringen af ​​silicium. Ved at kontrollere det i øjeblikket ukontrollerbare, vi kan designe en siliciumelektrode med bedre ydeevne."

Sammen med Zhang, Penn State-forskere involveret i undersøgelsen inkluderer Tianwu Chen og Dingchuan Xue, kandidatstuderende i ingeniørvidenskab og mekanik. Andre forskere omfatter bl. fra Pacific Northwest National Laboratory, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao sang, Xiaolin Li og Ji-Guang Zhang; fra Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cedric Bouchet-Marquis, Lee Pullan og Ted Tessner; og fra Los Alamos National Laboratory, Jinkyoung Yoo.

Department of Energy og National Science Foundation finansierede denne forskning.