Å forstå silisiumsvikt åpner veien for forskning på litiumbatterier med høyere kapasitet

I silisiumtråd-litium-ion-batterier skreller elektrolytten av silisium, noe som hindrer elektroniske veier og kraftig reduserer ladekapasiteten til disse lovende enhetene.

Den nye artikkelen (Progressive growth of the solid – Electrolyte in the industry has set goals for the Siano de inter ocean batteries) bekrefter at denne prosessen åpner for nye forskningsmuligheter, og til slutt utnytter det enorme potensialet til silisium for å fullstendig transformere høykapasitet og lang -varige batterier fra mobiltelefoner til biler.

Jinkyoung Yoo, en vitenskapsmann ved Los Alamos National Laboratory og den korresponderende forfatteren av artikkelen, sa at med denne nye forståelsen foreslår vi å utvikle en belegningsmetode som isolerer silisium fra elektrolytten for å forbedre ytelsen til silisium nanotråd litium-ion-batterier. Yoo er en dyrker av halvledernanomaterialer ved Integrated Technology Center (CINT), som er et brukeranlegg for Department of Energy ved Los Alamos og Sandia National Laboratories.

Et bilde av silisium nanotråder dyrket på en skive i rustfritt stål (med klokken fra øverste venstre hjørne) vises i side-, topp- og makrovisninger. Disken er omtrent en kvart størrelse. NatureNanotechs nye forskning har oppdaget prosessen med å begrense bruken av silisium i litium-ion-batterier og identifisert forskningsveier for å overvinne disse problemene. Den elektriske lagringskapasiteten til et batteri med silisiumanode er 10 ganger større enn et batteri med en typisk grafittbasert anode.

Denne studien ble utført av samarbeidspartnere fra en rekke nasjonale laboratorier og universiteter, som integrerte sensitiv element tomografi gjennom lavtemperatur skanning transmisjonselektronmikroskopi (en avansert analytisk algoritme), og avslørte den relaterte strukturen og den kjemiske utviklingen av silisium, så vel som interaksjonene mellom faste elektrolytter i 3D.

Yoo plantet en skog av silisium nanotråder på en skive i rustfritt stål som anode for batterieksperimenter. CINT-anlegget i Los Alamos har en unik evne til å dyrke denne typen silisiumtråd direkte på anoden.

Både industrielle og nasjonale laboratorieforskere mener at silisium er det mest lovende negative elektrodematerialet med høy kapasitet for praktisk anvendelse av neste generasjons litiumionbatterier. Batteriet inkluderer en anode som bringer elektroner inn og en katode som flytter elektroner ut for å generere strøm.

Ved å bruke grafittbaserte anoder og litiumionbatterier overstiger rekkevidden til mobiltelefoner og elektriske kjøretøy 400 miles. Utvikling av neste generasjon ved bruk av silisiumanoder, kjent for å ha en lagringskapasitet som er 10 ganger større enn grafittanodebatterier, har blitt hindret av kapasitetsdegradering etter gjentatt lading.

Etter 100 lade-/utladingssykluser kan bruk av silisiumbatterier bare håndtere 60 % av sin opprinnelige lagringskapasitet, noe som ikke er godt nok for daglig teknologi.

Inntil nå er det ingen som vet den eksakte årsaken.

I tidlige applikasjoner, når silisiumsfæriske partikler ble eksponert for elektrolytten og ladet, ville de ekspandere med 300 % og skade anoden. I alle typer batterier produserer prosessen med å utsette anoden for elektrolytten en reaksjon for å danne SEI. SEI er avgjørende for batteristabilitet, siden det spiller en avgjørende rolle i de elektrokjemiske reaksjonene i batteriet og kontrollerer dets stabilitet.

Når SEI skilles fra anoden, akkurat som det gjør med silisium, brytes den elektriske kontakten og batterikapasiteten reduseres.

"Vi pleide å tro at nanotråder kunne løse problemet med silisiumekspansjon i elektrolytter fordi en enkelt ledning kunne strekkes, men vi forsto ikke hva som skjedde," forklarte Yoo.

Yoo sa at ny forskning har funnet ut at elektrolytter kan trenge gjennom silisium, danne SEI-lommer og forstyrre elektroniske veier. Denne prosessen kobler fra isolerte silisiumøyer i anoden som ikke kan øke batterikapasiteten. Yoo sa at neste forskningstrinn er å belegge silisiumpartikler eller nanotråder for å opprettholde integriteten til silisium i nærvær av elektrolytter.