Metodu ġdid għall-immaġini tad-degradazzjoni tal-anodu tas-silikon huwa mistenni li jikseb batteriji rikarikabbli aħjar

Ir-riċerkaturi jissuġġerixxu li metodu ġdid għall-karatterizzazzjoni tal-istruttura u l-evoluzzjoni kimika tas-silikon, kif ukoll saff irqiq li jikkontrolla l-istabbiltà tal-batterija, jista 'jgħin biex tiġi indirizzata l-kwistjoni tal-prevenzjoni tal-użu tas-silikon f'batteriji ta' kapaċità għolja.

L-enfasi tar-riċerka hija fuq l-interface bejn l-anodu, l-elettrodu negattiv u l-elettrolit, li jippermetti li l-ħlasijiet jimxu bejn l-anodu u elettrodu ieħor (katodu). Is-saff tal-interfażi tal-elettroliti solidi (SEI) huwa ġeneralment iffurmat fuq il-wiċċ tal-elettrodu bejn l-elettrodu solidu u l-elettrolit likwidu, li huwa kruċjali għal reazzjonijiet elettrokimiċi fil-batteriji u jikkontrollaw l-istabbiltà tal-batteriji. L-użu tas-silikon bħala anodu jista 'jikseb batteriji rikarikabbli aħjar.

Fl-aħħar 10 snin, is-silikon ġibed ħafna attenzjoni bħala elettrodu negattiv ta 'kapaċità għolja għal batteriji rikarikabbli. Il-Professur Zhang Sulin tax-Xjenza u l-Mekkanika u l-Bijoteknoloġija tal-Inġinerija qal li bħalissa l-batteriji kummerċjali jużaw il-grafita bħala l-materjal tal-elettrodu negattiv, iżda l-kapaċità tas-silikon hija madwar 10 darbiet dik tal-grafita. Għalhekk, hemm għexieren ta 'miljuni, mijiet ta' miljuni, jew saħansitra mijiet ta 'miljuni ta' dollari ddedikati għar-riċerka tal-batterija tas-silikon.

Għal soċjetà li tittama li elettrifika l-infrastruttura tagħha permezz ta 'vetturi elettriċi u apparat elettroniku portabbli b'saħħtu, din hija aħbar tajba, iżda hemm ukoll sfidi. Matul il-proċess tal-iċċarġjar u l-ħatt tal-batteriji, il-volum tas-silikon se jespandi u jikkuntratta, li jwassal għal qsim tal-materjal tas-silikon, u SEI se jkisser u jirriġenera għal darba oħra. Dan se jirriżulta fit-telf ta 'kuntatt elettriku u tnaqqis fil-kapaċità, li huwa l-ammont ta' ċarġ maħżun fil-batterija.

Il-fehim preċiż kif dan il-proċess jiżvolġi strutturalment u kimikament huwa kruċjali biex issolvi l-problemi.

Minħabba li l-istabbiltà ta 'dan is-saff tikkontrolla l-istabbiltà tal-batterija, ma tridx li tikber mingħajr kontroll minħabba li l-formazzjoni ta' dan is-saff se tikkonsma materjali tal-elettroliti u litju attiv. Zhang qal li dan jista 'jikkawża li l-elettrolit jinxef u l-materjal attiv jintilef, u b'hekk ikollu impatt negattiv fuq il-prestazzjoni tal-batterija.

Sfida ewlenija li Zhang u t-tim tiegħu ppreżentaw fil-ġurnal Nature Nanotechnology hija l-abbiltà li josservaw, jikkaratterizzaw, u jifhmu dan il-proċess.

Is-saff SEI huwa kruċjali għall-batteriji, qal Zhang, iżda huwa rqiq ħafna u ma jistax jidher taħt l-ebda mikroskopju ottiku, u jevolvi b'mod dinamiku waqt iċ-ċikliżmu tal-batterija. Jista 'jiġi osservat permezz ta' mikroskopija elettronika ta 'trażmissjoni fuq skala nanoskala ħafna, materjali irqaq ħafna. Iżda għal SEI, dan is-saff huwa artab ħafna u faċilment imħassra minn raġġi ta 'elettroni, peress li trid tibgħat ammont kbir ta' elettroni biex tikseb stampi b'riżoluzzjoni għolja ta 'kompożizzjoni materjali.

Biex tingħeleb din il-kwistjoni, ir-riċerkaturi użaw mikroskopija elettronika ta 'trażmissjoni ta' skannjar b'temperatura baxxa (cryo STEM). Huma żammew il-materjal tal-elettrodu li jiċċirkola f'temperatura baxxa waqt il-preparazzjoni u l-użu ta 'immaġni tal-mikroskopija STEM b'temperatura baxxa biex jimminimizzaw il-ħsara tar-raġġ tal-elettroni lill-kampjun. Barra minn hekk, integraw tomografija ta 'elementi sensittivi għal immaġini 3D u algoritmi avvanzati mmirati biex jinqabdu immaġini f'dożi ta' elettroni aktar baxxi. Din it-teknoloġija tikseb viżjoni 3D tal-interazzjoni tas-silikon SEI, maqbuda wara ċikli differenti ta 'batteriji.

L-uniċità tal-metodu tagħna tinsab fl-immaġini STEM b'temperatura baxxa u l-immudellar ta 'proċessi multi fiżiċi. Zhang qal li nistgħu Ħares l-evoluzzjoni tas-silikon u SEI wara ċ-ċikliżmu tal-batterija; Sadanittant, nistgħu nużaw simulazzjonijiet komputazzjonali biex niddikjaraw mill-ġdid il-proċess kollu ta 'evoluzzjoni tal-mikrostruttura matul iċ-ċiklu. Din hija n-novità ta’ dan l-istudju.

Ix-xogħol ta 'dan it-tim ippermetta lin-nies jifhmu aħjar il-mekkaniżmi li jwasslu għat-tkabbir u l-instabilità tas-saffi SEI fl-anodi tas-silikon.

Għalhekk, b'fehim tal-mekkaniżmu tat-tkabbir tas-saffi SEI, dan se jagħtina ħafna għarfien dwar kif intejbu l-prestazzjoni tal-anodi tas-silikon jew disinji tal-batteriji, qal Zhang. Imbagħad nistgħu nimanifattura anodi tas-silikon aktar robusti għall-ġenerazzjoni li jmiss ta 'batteriji tal-litju.

Huwa spjega li l-ġenerazzjoni li jmiss ta 'batteriji tal-litju se ġġib benefiċċji multipli lill-industrija u lill-konsumaturi ordinarji.

Is-silikon huwa abbundanti ħafna, u jekk nistgħu nużaw is-silikon bħala anodu b'ħajja ta 'ċiklu twil, inżidu ħafna l-kapaċità ta' batteriji rikarikabbli, qal Zhang. Barra minn hekk, minħabba r-riżorsi abbundanti tas-silikon, dan se jbaxxi l-prezz tal-batteriji.

B'fehim kritiku tal-evoluzzjoni tas-saff SEI waqt l-iċċarġjar u l-ħatt tal-batteriji tal-elettrodi negattivi tas-silikon, Zhang qal li l-pass li jmiss se jkun li tuża dan l-għarfien biex tgħin tiddisinja batterija tal-elettrodu negattiv tas-silikon li mhux se titlef il-kapaċità minħabba ċ-ċikliżmu.

"B'fehim tal-mekkaniżmi potenzjali, il-pass li jmiss huwa li tiġġenera xi ipoteżi xjentifiċi," qal Zhang. Imbagħad, se nittestjaw din l-ipoteżi bl-użu ta 'anodu tas-silikon sabiex inkunu nistgħu nnaqqsu l-effetti ħżiena assoċjati mal-bidliet fil-volum tas-silikon. Billi nikkontrollaw il-fatturi inkontrollabbli attwali, nistgħu niddisinjaw elettrodi tas-silikon b'rendiment aħjar.

Riċerkaturi mill-Università tal-Istat ta 'Pennsylvania, flimkien ma' Zhang, ipparteċipaw f'dan l-istudju, inklużi studenti gradwati tax-xjenza tal-inġinerija u tal-mekkanika Tianwu Chen u Dingchuan Xue. Riċerkaturi oħra jinkludu Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin, u Zhang Jiguang mil-Laboratorju Nazzjonali tal-Majjistral tal-Paċifiku; Minn ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan, u TedTessner; Mill-Laboratorju Nazzjonali ta 'Los Alamos, JinkyoungYoo. Il-Ministeru tal-Enerġija u l-Fondazzjoni Nazzjonali tax-Xjenza appoġġaw din ir-riċerka.