Silicium anoder muskel ind på batteri teknologi

Silicium er en fast bestanddel af den digitale revolution, shunter masser af signaler på en enhed, der sandsynligvis kun er to centimeter fra dine øjne i dette øjeblik.

Nu, det samme rigelige, billigt materiale er ved at blive en seriøs kandidat til en stor rolle i den spirende batterivirksomhed. Det er især attraktivt, fordi det er i stand til at holde 10 gange så meget energi i en vigtig del af et batteri, anoden, end meget brugt grafit.

Men ikke så hurtigt. Mens silicium har et svulstigt ry blandt videnskabsmænd, selve materialet svulmer, når det er en del af et batteri. Den svulmer så meget, at anoden flager og revner, hvilket får batteriet til at miste sin evne til at holde en opladning og i sidste ende svigte.

Nu har forskere set processen for første gang, et vigtigt skridt i retning af at gøre silicium til et levedygtigt valg, der kunne forbedre omkostningerne, ydeevne og opladningshastighed af batterier til elektriske køretøjer såvel som mobiltelefoner, bærbare computere, smarture og andre gadgets.

"Mange mennesker har forestillet sig, hvad der kunne ske, men ingen havde faktisk demonstreret det før, " sagde Chongmin Wang, en videnskabsmand ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. Wang er en tilsvarende forfatter til avisen, der for nylig er udgivet i Natur nanoteknologi.

af silicium anoder, peanutbutter-kopper og pakkede flypassagerer

Lithium-ioner er energivalutaen i et lithium-ion-batteri, bevæger sig frem og tilbage mellem to elektroder gennem væske kaldet elektrolyt. Når lithiumioner kommer ind i en anode lavet af silicium, de bevæger sig ind i den ordnede struktur, skubbe silicium atomerne skævt, som en kraftig flypassager, der klemmer sig ind på det midterste sæde på en pakket fly. Denne "lithium squeeze" får anoden til at svulme op til tre eller fire gange dens oprindelige størrelse.

Når lithiumionerne forsvinder, tingene vender ikke tilbage til det normale. Der er stadig tomme pladser, kendt som ledige stillinger. Fordrevne siliciumatomer fylder mange, men ikke alle, af de ledige stillinger, som passagerer, der hurtigt tager det tomme rum tilbage, når den midterste passager går mod toilettet. Men lithium-ionerne vender tilbage, trænger sig ind igen. Processen gentages, mens lithium-ionerne løber frem og tilbage mellem anoden og katoden, og de tomme rum i siliciumanoden smelter sammen for at danne hulrum eller mellemrum. Disse huller oversættes til batterifejl.

Forskere har kendt til processen i årevis, men de havde ikke før været vidne til præcis, hvordan det resulterer i batterifejl. Nogle har tilskrevet fejlen tabet af silicium og lithium. Andre har givet skylden for fortykkelsen af ​​en nøglekomponent kendt som fast-elektrolyt-interfasen eller SEI. SEI er en delikat struktur ved kanten af ​​anoden, der er en vigtig gateway mellem anoden og den flydende elektrolyt.

I sine eksperimenter, holdet så, mens de ledige pladser, som lithium-ioner efterlod i siliciumanoden, udviklede sig til større og større huller. Så så de, mens den flydende elektrolyt strømmede ind i hullerne som små bønder langs en kystlinje, infiltrere silicium. Denne tilstrømning gjorde det muligt for SEI at udvikle sig i områder inden for silicium, hvor det ikke burde være, en molekylær angriber i en del af batteriet, hvor den ikke hører hjemme.

Det skabte døde zoner, ødelægger siliciumets evne til at lagre lithium og ødelægger anoden.

Tænk på en jordnøddesmørkop i uberørt form:Chokoladen udenpå er forskellig fra den bløde jordnøddesmør indeni. Men hvis du holder den i hånden for længe med et for stramt greb, den ydre skal blødgøres og blandes med den bløde chokolade indeni. Du står tilbage med en enkelt uordnet masse, hvis struktur ændres irreversibelt. Du har ikke længere en ægte jordnøddesmørkop. Ligeledes, efter at elektrolytten og SEI har infiltreret silicium, forskere har ikke længere en brugbar anode.

Holdet oplevede, at denne proces begyndte umiddelbart efter kun én battericyklus. Efter 36 cyklusser, batteriets evne til at holde en ladning var faldet dramatisk. Efter 100 cyklusser, anoden var ødelagt.

Udforsker løftet om siliciumanoder

Forskere arbejder på måder at beskytte silicium mod elektrolytten. Flere grupper, herunder videnskabsmænd ved PNNL, udvikler belægninger designet til at fungere som gatekeepere, tillader lithium-ioner at gå ind og ud af anoden, mens andre komponenter i elektrolytten stoppes.

Forskere fra flere institutioner samlede deres ekspertise til at udføre arbejdet. Forskere ved Los Alamos National Laboratory skabte silicium nanotrådene, der blev brugt i undersøgelsen. PNNL-forskere arbejdede sammen med modparter hos Thermo Fisher Scientific for at modificere et kryogent transmissionselektronmikroskop for at reducere skaderne fra elektronerne, der bruges til billeddannelse. Og Penn State University-forskere udviklede en algoritme til at simulere den molekylære virkning mellem væsken og silicium.

Alt i alt, holdet brugte elektroner til at lave ultrahøjopløselige billeder af processen og rekonstruerede derefter billederne i 3-D, svarende til, hvordan læger skaber et 3-D-billede af en patients lem eller organ.

"Dette arbejde tilbyder en klar køreplan for udvikling af silicium som anode for et batteri med høj kapacitet, " sagde Wang.