Silicio anodo raumenys baterijos technologijoje

Silicis yra skaitmeninės revoliucijos pagrindinis elementas, nukreipiantis daugybę signalų įrenginyje, kuris' šiuo metu greičiausiai yra vos centimetrais nuo jūsų akių.

Dabar ta pati gausi, pigi medžiaga tampa rimta kandidate į svarbų vaidmenį klestinčiame baterijų versle. Jis' yra ypač patrauklus, nes' gali išlaikyti 10 kartų daugiau energijos svarbioje akumuliatoriaus dalyje – anode, nei plačiai naudojamas grafitas.

Bet ne taip greitai. Nors silicis turi puikią reputaciją tarp mokslininkų, pati medžiaga išsipučia, kai' yra akumuliatoriaus dalis. Jis išsipučia tiek, kad anodas pleiskanoja ir įtrūksta, todėl akumuliatorius praranda gebėjimą išlaikyti įkrovą ir galiausiai sugenda.

Dabar mokslininkai pirmą kartą stebėjo šį procesą – tai svarbus žingsnis siekiant, kad silicis taptų perspektyviu pasirinkimu, galinčiu pagerinti elektromobilių, taip pat mobiliųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių, išmaniųjų laikrodžių ir kitų prietaisų baterijų kainą, našumą ir įkrovimo greitį.

& quot;Daugelis žmonių įsivaizdavo, kas gali nutikti, bet niekas anksčiau to nebuvo įrodęs," sakė Chongminas Wangas, Energetikos departamento' Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos mokslininkas. Wangas yra atitinkamas neseniai paskelbto straipsnio autoriusGamtos nanotechnologijos.

Iš silicio anodų, žemės riešutų sviesto puodelių ir supakuotų oro linijų keleivių

Ličio jonai yra ličio jonų akumuliatoriaus energijos valiuta, keliaujanti pirmyn ir atgal tarp dviejų elektrodų per skystį, vadinamą elektrolitu. Kai ličio jonai patenka į anodą, pagamintą iš silicio, jie įsiveržia į tvarkingą struktūrą, stumdami silicio atomus kreivai, kaip stambus aviakompanijos keleivis, besispaudžiantis ant vidurinės sėdynės pilno skrydžio metu. Tai"ličio išspaudimas" priverčia anodą išsipūsti iki trijų ar keturių kartų pirminio dydžio.

Kai ličio jonai pasišalina, viskas nebegrįžta į normalią padėtį. Tuščios vietos, žinomos kaip laisvos vietos, lieka. Išstumti silicio atomai užpildo daug, bet ne visas, laisvų vietų, pavyzdžiui, keleiviai greitai atima tuščią vietą, kai vidurinis keleivis eina į tualetą. Tačiau ličio jonai grįžta ir vėl stumiasi. Procesas kartojasi, kai ličio jonai juda pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo, o tuščios vietos silicio anode susilieja ir susidaro tuštumos arba tarpai. Šios spragos reiškia akumuliatoriaus gedimą.

Mokslininkai apie šį procesą žinojo daugelį metų, tačiau anksčiau jie nebuvo tiksliai matę, kaip tai sukelia akumuliatoriaus gedimą. Kai kurie gedimą sieja su silicio ir ličio praradimu. Kiti kaltino pagrindinio komponento, žinomo kaip kietojo elektrolito tarpfazė arba SEI, sustorėjimą. SEI yra subtili struktūra anodo krašte, kuri yra svarbus vartai tarp anodo ir skysto elektrolito.

Savo eksperimentuose komanda stebėjo, kaip ličio jonų paliktos laisvos vietos silicio anode išsivystė į vis didesnius tarpus. Tada jie stebėjo, kaip skystas elektrolitas teka į tarpus kaip mažytės upeliais palei kranto liniją, prasiskverbdamas į silicį. Šis srautas leido SEI vystytis tose silicio srityse, kur jis neturėtų būti' molekulinis įsibrovėjas toje baterijos dalyje, kur jis nepriklauso'

Taip susidarė negyvosios zonos, sunaikindamos silicio gebėjimą kaupti ličio kiekį ir sugadindamos anodą.

Pagalvokite apie nesugadintos formos žemės riešutų sviesto puodelį: šokoladas išorėje skiriasi nuo minkšto žemės riešutų sviesto viduje. Bet jei per ilgai laikysite rankoje per stipriai suėmę, išorinis apvalkalas suminkštėja ir susimaišo su viduje esančiu minkštu šokoladu. Jūs'lieka viena netvarkinga masė, kurios struktūra pasikeičia negrįžtamai. Nebeturite tikro žemės riešutų sviesto puodelio. Taip pat, kai elektrolitas ir SEI įsiskverbia į silicį, mokslininkai nebeturi veikiančio anodo.

Komanda matė, kad šis procesas prasidėjo iškart po vieno akumuliatoriaus ciklo. Po 36 ciklų baterijos' gebėjimas išlaikyti įkrovą smarkiai sumažėjo. Po 100 ciklų anodas buvo sugadintas.

Silicio anodų pažadų tyrinėjimas

Mokslininkai ieško būdų, kaip apsaugoti silicį nuo elektrolito. Kelios grupės, įskaitant PNNL mokslininkus, kuria dangas, skirtas veikti kaip vartų sargas, leidžiančias ličio jonams patekti į anodą ir išeiti iš jo, tuo pačiu sustabdant kitus elektrolito komponentus.

Kelių institucijų mokslininkai sutelkė savo žinias, kad atliktų darbą. Los Alamos nacionalinės laboratorijos mokslininkai sukūrė tyrime naudotus silicio nanolaidus. PNNL mokslininkai dirbo kartu su kolegomis Thermo Fisher Scientific, siekdami modifikuoti kriogeninio perdavimo elektronų mikroskopą, kad sumažintų vaizdams naudojamų elektronų žalą. O Penn State universiteto mokslininkai sukūrė algoritmą, skirtą modeliuoti molekulinį poveikį tarp skysčio ir silicio.

Iš viso komanda naudojo elektronus, kad padarytų itin didelės raiškos proceso vaizdus, ​​o vėliau atkūrė vaizdus 3D formatu, panašiai kaip gydytojai kuria paciento' galūnės ar organo 3D vaizdą.

& quot;Šiame darbe pateikiamas aiškus planas, kaip sukurti silicį kaip didelės talpos akumuliatoriaus anodą," pasakė Vangas.

PNNL darbas yra dalis plačios tyrimų programos, kurioje tiriami silicio anodai, įskaitant originalias medžiagas, tokias kaip dangas, naujus prietaisų gamybos būdus ir naują elektrolitą, kuris prailgina baterijos veikimo laiką.

Be Wang, kiti PNNL straipsnio autoriai yra Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (taip pat atitinkamas autorius) ir Ji-Guang (Jason) Zhang.

Istorijos šaltinis:

MedžiagospateikėDOE / Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija. Originalą parašė Tomas Rickey.Pastaba: turinys gali būti redaguojamas pagal stilių ir ilgį.