En ny metode for å avbilde silisiumanodenedbrytning forventes å gi bedre oppladbare batterier

Forskere foreslår at en ny metode for å karakterisere strukturen og den kjemiske utviklingen av silisium, samt et tynt lag som kontrollerer batteristabiliteten, kan bidra til å løse problemet med å forhindre bruk av silisium i batterier med høy kapasitet.

Fokuset for forskningen er på grensesnittet mellom anoden, negativ elektrode og elektrolytt, som gjør at ladninger kan bevege seg mellom anoden og en annen elektrode (katode). Det faste elektrolytt-interfaselaget (SEI) dannes vanligvis på elektrodeoverflaten mellom den faste elektroden og den flytende elektrolytten, noe som er avgjørende for elektrokjemiske reaksjoner i batterier og for å kontrollere stabiliteten til batterier. Bruk av silisium som anode kan oppnå bedre oppladbare batterier.

I løpet av de siste 10 årene har silisium tiltrukket seg mye oppmerksomhet som en negativ elektrode med høy kapasitet for oppladbare batterier. Professor Zhang Sulin ved ingeniørvitenskap og mekanikk og bioteknologi sa at kommersielle batterier for tiden bruker grafitt som negativt elektrodemateriale, men silisiums kapasitet er omtrent 10 ganger større enn grafitt. Derfor er det titalls millioner, hundrevis av millioner eller til og med hundrevis av millioner dollar dedikert til forskning på silisiumbatterier.

For et samfunn som håper å elektrifisere sin infrastruktur gjennom elektriske kjøretøy og kraftige bærbare elektroniske enheter, er dette gode nyheter, men det er også utfordringer. Under lade- og utladingsprosessen til batterier vil volumet av silisium utvide seg og trekke seg sammen, noe som fører til sprekker i silisiummaterialet, og SEI vil bryte og regenerere gang på gang. Dette vil resultere i tap av elektrisk kontakt og en reduksjon i kapasitet, som er mengden ladning som er lagret i batteriet.

En nøyaktig forståelse av hvordan denne prosessen utspiller seg strukturelt og kjemisk er avgjørende for å løse problemer.

Fordi stabiliteten til dette laget styrer stabiliteten til batteriet, vil du ikke at det skal vokse ukontrollert fordi dannelsen av dette laget vil forbruke elektrolyttmaterialer og aktivt litium. Zhang sa at dette kan føre til at elektrolytten tørker ut og det aktive materialet går tapt, og dermed kan ha en negativ innvirkning på batteriets ytelse.

En stor utfordring som Zhang og teamet hans har presentert i tidsskriftet Nature Nanotechnology er evnen til å observere, karakterisere og forstå denne prosessen.

SEI-laget er avgjørende for batterier, sa Zhang, men det er veldig tynt og kan ikke sees under noe optisk mikroskop, og det utvikler seg dynamisk under batterisykling. Det kan observeres ved transmisjonselektronmikroskopi på veldig nanoskala, veldig tynne materialer. Men for SEI er dette laget veldig mykt og blir lett skadet av elektronstråler, da du må sende en stor mengde elektroner for å få høyoppløselige bilder av materialsammensetning.

For å overvinne dette problemet, brukte forskere lavtemperatur skanningstransmisjonselektronmikroskopi (kryo STEM). De holdt det sirkulerende elektrodematerialet ved lav temperatur under klargjøring og bruk av lavtemperatur STEM-mikroskopi for å minimere elektronstråleskade på prøven. I tillegg integrerte de sensitiv element tomografi for 3D-bildebehandling og avanserte algoritmer rettet mot å ta bilder med lavere elektrondoser. Denne teknologien oppnår en 3D-visning av SEI-silisiuminteraksjon, fanget etter forskjellige batterisykluser.

Det unike med metoden vår ligger i lavtemperatur STEM-avbildning og multifysisk prosessmodellering. Zhang sa at vi kan visualisere utviklingen av silisium og SEI etter batterisykling; I mellomtiden kan vi bruke beregningssimuleringer for å gjenoppta hele mikrostrukturutviklingsprosessen i løpet av syklusen. Dette er nyheten i denne studien.

Arbeidet til dette teamet har gjort det mulig for folk å bedre forstå mekanismene som fører til vekst og ustabilitet av SEI-lag i silisiumanoder.

Derfor, med en forståelse av vekstmekanismen til SEI-lag, vil dette gi oss mange innsikter i hvordan vi kan forbedre ytelsen til silisiumanoder eller batteridesign, sa Zhang. Da kan vi produsere mer robuste silisiumanoder for neste generasjon litiumbatterier.

Han forklarte at neste generasjon litiumbatterier vil gi flere fordeler for industrien og vanlige forbrukere.

Silisium er veldig rikelig, og hvis vi kan bruke silisium som en anode med lang levetid, vil vi øke kapasiteten til oppladbare batterier kraftig, sa Zhang. Dessuten, på grunn av de rikelige silisiumressursene, vil dette senke prisen på batterier.

Med en kritisk forståelse av utviklingen av SEI-laget under lading og utlading av negative silisiumelektrodebatterier, sa Zhang at neste trinn vil være å bruke denne kunnskapen til å hjelpe til med å designe et negativt silisiumelektrodebatteri som ikke vil miste kapasitet på grunn av sykling.

"Med en forståelse av de potensielle mekanismene, er neste trinn å generere noen vitenskapelige hypoteser," sa Zhang. Deretter vil vi teste denne hypotesen ved å bruke en silisiumanode slik at vi kan dempe de negative effektene forbundet med endringer i silisiumvolumet. Ved å kontrollere de gjeldende ukontrollerbare faktorene kan vi designe silisiumelektroder med bedre ytelse.

Forskere fra Pennsylvania State University, sammen med Zhang, deltok i denne studien, inkludert ingeniørvitenskap og mekanikkstudenter Tianwu Chen og Dingchuan Xue. Andre forskere inkluderer Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin og Zhang Jiguang fra Pacific Northwest National Laboratory; Fra ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan og TedTessner; Fra Los Alamos National Laboratory, JinkyoungYoo. Energidepartementet og National Science Foundation støttet denne forskningen.