Silikonanoder Muscle in On Battery Technology

Kisel är en häftklammer i den digitala revolutionen, och shuntar massor av signaler på en enhet som's sannolikt bara några centimeter från dina ögon just nu.

Nu håller samma rikliga, billiga material på att bli en seriös kandidat för en stor roll i den växande batteribranschen. Det'är särskilt attraktivt eftersom det'kan hålla 10 gånger så mycket energi i en viktig del av ett batteri, anoden, än allmänt använd grafit.

Men inte så snabbt. Medan kisel har ett svällrykte bland forskare, sväller själva materialet när det'är en del av ett batteri. Det sväller så mycket att anoden flagnar och spricker, vilket gör att batteriet förlorar sin förmåga att hålla en laddning och slutligen misslyckas.

Nu har forskare bevittnat processen för första gången, ett viktigt steg mot att göra kisel till ett hållbart val som kan förbättra kostnaden, prestanda och laddningshastigheten för batterier för elfordon såväl som mobiltelefoner, bärbara datorer, smarta klockor och andra prylar.

& quot;Många människor har föreställt sig vad som kan hända men ingen hade faktiskt visat det tidigare," sa Chongmin Wang, en vetenskapsman vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. Wang är en motsvarande författare till tidningen som nyligen publicerades iNaturens nanoteknik.

Av silikonanoder, jordnötssmörsmuggar och packade flygpassagerare

Litiumjoner är energivalutan i ett litiumjonbatteri, som färdas fram och tillbaka mellan två elektroder genom vätska som kallas elektrolyt. När litiumjoner kommer in i en anod gjord av kisel, muskelr de sig in i den ordnade strukturen och trycker kiselatomerna snett, som en kraftig flygpassagerare som klämmer sig in i mittsätet på en fullpackad flygning. Denna"litiumpressning" gör att anoden sväller till tre eller fyra gånger sin ursprungliga storlek.

När litiumjonerna försvinner återgår inte saker till det normala. Det finns lediga platser kvar. Förskjutna kiselatomer fyller i många, men inte alla, lediga platser, som att passagerare snabbt tar tillbaka det tomma utrymmet när den mellersta passageraren beger sig till toaletten. Men litiumjonerna kommer tillbaka och tränger sig in igen. Processen upprepas när litiumjonerna rör sig fram och tillbaka mellan anoden och katoden, och de tomma utrymmena i kiselanoden smälter samman för att bilda tomrum eller luckor. Dessa luckor leder till batterifel.

Forskare har känt till processen i flera år, men de hade'inte tidigare sett exakt hur det resulterar i batterifel. Vissa har tillskrivit misslyckandet till förlusten av kisel och litium. Andra har skyllt på förtjockningen av en nyckelkomponent känd som solid-electrolyte interphase eller SEI. SEI är en delikat struktur vid kanten av anoden som är en viktig port mellan anoden och den flytande elektrolyten.

I sina experiment såg teamet hur de lediga platserna lämnade av litiumjoner i kiselanoden utvecklades till större och större luckor. Sedan såg de hur den flytande elektrolyten strömmade in i springorna som små bäckar längs en strandlinje och infiltrerade kislet. Detta inflöde gjorde att SEI kunde utvecklas i områden inom kislet där den inte borde vara en molekylär inkräktare i en del av batteriet där den inte&

Det skapade döda zoner, förstörde kislets förmåga att lagra litium och förstörde anoden.

Tänk på en jordnötssmörskopp i orörd form: Chokladen utanför är skild från det mjuka jordnötssmöret inuti. Men om du håller den i handen för länge med ett för hårt grepp så mjuknar det yttre skalet och blandas med den mjuka chokladen inuti. Du'är kvar med en enda oordnad massa vars struktur förändras oåterkalleligt. Du har inte längre en riktig jordnötssmörkopp. På samma sätt, efter att elektrolyten och SEI infiltrerat kislet, har forskarna inte längre en fungerande anod.

Teamet såg denna process börja omedelbart efter bara en battericykel. Efter 36 cykler hade batteriets's förmåga att hålla en laddning minskat dramatiskt. Efter 100 cykler var anoden förstörd.

Utforska löftet om kiselanoder

Forskare arbetar på sätt att skydda kislet från elektrolyten. Flera grupper, inklusive forskare vid PNNL, utvecklar beläggningar utformade för att fungera som gatekeepers, vilket gör att litiumjoner kan gå in i och ut ur anoden samtidigt som de stoppar andra komponenter i elektrolyten.

Forskare från flera institutioner samlade sin expertis för att utföra arbetet. Forskare vid Los Alamos National Laboratory skapade kiselnanotrådarna som användes i studien. PNNL-forskare arbetade tillsammans med motsvarigheter vid Thermo Fisher Scientific för att modifiera ett kryogent transmissionselektronmikroskop för att minska skadorna från elektronerna som används för avbildning. Och forskare från Penn State University utvecklade en algoritm för att simulera den molekylära verkan mellan vätskan och kiseln.

Sammantaget använde teamet elektroner för att göra ultrahögupplösta bilder av processen och rekonstruerade sedan bilderna i 3D, liknande hur läkare skapar en 3D-bild av en patients's lem eller organ.

& quot;Detta arbete erbjuder en tydlig färdplan för att utveckla kisel som anod för ett högkapacitetsbatteri," sa Wang.

På PNNL är arbetet en del av ett brett forskningsprogram som utforskar kiselanoder, inklusive originalmaterial som beläggningar, nya sätt att tillverka enheterna och en ny elektrolyt som ökar batteritiden.

Förutom Wang inkluderar andra PNNL-författare till tidningen Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (också en motsvarande författare) och Ji-Guang (Jason) Zhang.

Berättelsekälla:

Materialtillhandahålls avDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Original skrivet av Tom Rickey.Obs! Innehållet kan redigeras för stil och längd.