Szilícium anód izom az akkumulátor technológiában

A szilícium a digitális forradalom egyik legfontosabb eleme, rengeteg jelet tolat egy olyan eszközön, amely' ebben a pillanatban valószínűleg csak hüvelyknyire van a szemétől.

Ugyanez a bőséges, olcsó anyag most komoly jelöltté válik a virágzó akkumulátor-üzletágban. Ez' különösen vonzó, mert' tízszer annyi energiát képes megtartani az akkumulátor fontos részében, az anódban, mint a széles körben használt grafit.

De nem olyan gyorsan. Míg a szilícium nagy hírnevet szerzett a tudósok körében, maga az anyag megduzzad, amikor'elem része. Annyira megduzzad, hogy az anód lepattogzik és megreped, aminek következtében az akkumulátor elveszti töltéstartó képességét, és végül meghibásodik.

A tudósok most először voltak szemtanúi a folyamatnak, ami fontos lépés a szilícium életképes választássá tétele felé, amely javíthatja az elektromos járművek, valamint a mobiltelefonok, laptopok, okosórák és egyéb kütyük akkumulátorainak költségeit, teljesítményét és töltési sebességét.

& quot;Sokan elképzelték, hogy mi fog történni, de ezt korábban senki sem bizonyította," – mondta Chongmin Wang, a Department of Energy' Pacific Northwest National Laboratory tudósa. Wang a közelmúltban megjelent cikk megfelelő szerzőjeTermészet Nanotechnológia.

Szilícium anódok, mogyoróvajas poharak és csomagolt légitársaság utasai

A lítium-ionok a lítium-ion akkumulátor energia pénzneme, amely két elektróda között oda-vissza utazik az elektrolitnak nevezett folyadékon keresztül. Amikor a lítium-ionok belépnek a szilíciumból készült anódba, behatolnak a rendezett szerkezetbe, ferdén tolva a szilícium atomokat, mint egy vaskos légiutas, aki bepréselődik a középső ülésbe egy zsúfolt járaton. Ez"lítium préselés" az anódot eredeti méretének három-négyszeresére duzzasztja.

Amikor a lítium-ionok távoznak, a dolgok'nem térnek vissza a normális kerékvágásba. Az üres helyek, az úgynevezett betöltetlen helyek megmaradnak. A kiszorított szilícium atomok sok, de nem minden üres helyet betöltenek, például az utasok gyorsan visszaveszik az üres helyet, amikor a középső utas a mellékhelyiség felé indul. De a lítium-ionok visszatérnek, és ismét benyomulnak. A folyamat megismétlődik, ahogy a lítium-ionok oda-vissza robognak az anód és a katód között, és a szilícium anód üres terei egyesülnek, és üregeket vagy réseket képeznek. Ezek a hiányosságok az akkumulátor meghibásodását jelentik.

A tudósok évek óta tudnak a folyamatról, de'korábban nem voltak szemtanúi, hogy pontosan hogyan vezet az akkumulátor meghibásodásához. Egyesek a kudarcot a szilícium és a lítium elvesztésének tulajdonítják. Mások a szilárd-elektrolit interfázisként vagy SEI-ként ismert kulcsfontosságú komponens megvastagodását okolják. A SEI egy kényes szerkezet az anód szélén, amely fontos átjáró az anód és a folyékony elektrolit között.

Kísérletei során a csapat azt figyelte, ahogy a lítium-ionok által a szilícium anódban hagyott üres helyek egyre nagyobb résekké fejlődnek. Aztán figyelték, ahogy a folyékony elektrolit apró patakokként áramlik a résekbe a part mentén, beszivárogva a szilíciumba. Ez a beáramlás lehetővé tette a SEI számára, hogy a szilíciumban olyan területeken fejlődjön ki, ahol nem szabadna lennie, molekuláris betolakodó az akkumulátor azon részében, ahová nem tartozik'

Ez holt zónákat hozott létre, tönkretéve a szilícium lítium tárolási képességét, és tönkretéve az anódot.

Gondoljon egy érintetlen formájú mogyoróvajas csészére: a külső csokoládé különbözik a belsejében lévő puha mogyoróvajtól. De ha túl sokáig tartod a kezedben, túl szorosan fogva, a külső héj megpuhul és összekeveredik a benne lévő puha csokoládéval. Ön'maradt egyetlen rendezetlen tömeggel, amelynek szerkezete visszafordíthatatlanul megváltozott. Már nincs igazi mogyoróvajas pohár. Hasonlóképpen, miután az elektrolit és a SEI beszivárgott a szilíciumba, a tudósoknak már nincs működőképes anódjuk.

A csapat szemtanúja volt, hogy ez a folyamat már egy akkumulátorciklus után azonnal elkezdődött. 36 ciklus után az akkumulátor' töltéstartó képessége drámaian csökkent. 100 ciklus után az anód tönkrement.

A szilícium anódok ígéretének feltárása

A tudósok azon dolgoznak, hogy megvédjék a szilíciumot az elektrolittól. Több csoport, köztük a PNNL tudósai is olyan bevonatokat fejlesztenek ki, amelyek kapuőrként működnek, lehetővé téve a lítium-ionok bejutását az anódba és onnan kifelé, miközben megállítják az elektrolit egyéb összetevőit.

Több intézmény tudósai egyesítették szakértelmüket a munka elvégzéséhez. A Los Alamos National Laboratory tudósai létrehozták a tanulmányban használt szilícium nanohuzalokat. A PNNL tudósai a Thermo Fisher Scientific munkatársaival együtt dolgoztak egy kriogén transzmissziós elektronmikroszkóp módosításán, hogy csökkentsék a képalkotáshoz használt elektronok okozta károsodást. A Penn State Egyetem tudósai pedig egy algoritmust fejlesztettek ki a folyadék és a szilícium közötti molekuláris hatás szimulálására.

Összességében a csapat elektronokat használt, hogy ultra-nagy felbontású képeket készítsenek a folyamatról, majd 3D-ben rekonstruálták a képeket, hasonlóan ahhoz, ahogyan az orvosok 3D-s képet készítenek a páciens'. végtagjáról vagy szervéről.

& quot;Ez a munka egyértelmű ütemtervet kínál a szilícium nagy kapacitású akkumulátor anódjaként való fejlesztéséhez," - mondta Wang.

A PNNL-nél a munka egy széles körű kutatási program része, amely szilícium anódokat kutat, beleértve az eredeti anyagokat, például a bevonatokat, az eszközök előállításának új módjait és az akkumulátor élettartamát megnövelő új elektrolitot.

Wang mellett a cikk további PNNL-szerzői közé tartozik Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (szintén megfelelő szerző) és Ji-Guang (Jason) Zhang.

A történet forrása:

Anyagokáltal biztosítottDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Az eredetit Tom Rickey írta.Megjegyzés: A tartalom stílusa és hossza miatt szerkeszthető.