Il-fehim tal-falliment tas-silikon jiftaħ it-triq għar-riċerka dwar batteriji tal-litju ta 'kapaċità ogħla

Fil-batteriji tal-jone tal-litju tal-wajer tas-silikon, l-elettrolit jitqaxxar is-silikon, li jfixkel il-mogħdijiet elettroniċi u jnaqqas ħafna l-kapaċità tal-iċċarġjar ta 'dawn l-apparati promettenti.

Il-karta l-ġdida (Tkabbir progressiv tas-solidu – Elettrolit fl-industrija stabbilixxa miri għall-batteriji Siano de inter ocean) tikkonferma li dan il-proċess jiftaħ toroq ġodda ta 'riċerka, fl-aħħar mill-aħħar juża l-potenzjal enormi tas-silikon biex jittrasforma kompletament b'kapaċità għolja u fit-tul. -batteriji dejjiema minn telefowns ċellulari għal karozzi.

Jinkyoung Yoo, xjenzat fil-Laboratorju Nazzjonali ta 'Los Alamos u l-awtur korrispondenti tad-dokument, qal li b'dan il-fehim ġdid, nissuġġerixxu li jiżviluppaw metodu ta' kisi li jiżola s-silikon mill-elettrolit biex itejjeb il-prestazzjoni tal-batteriji tal-jone tal-litju nanowire tas-silikon. Yoo huwa kultivatur tan-nanomaterjali tas-semikondutturi fiċ-Ċentru tat-Teknoloġija Integrata (CINT), li hija faċilità tal-utent tad-Dipartiment tal-Enerġija fil-Laboratorji Nazzjonali ta 'Los Alamos u Sandia.

Ritratt tan-nanowires tas-silikon imkabbra fuq diska tal-istainless steel (minn l-arloġġ mill-kantuniera ta 'fuq tax-xellug) jintwera fil-veduti tal-ġenb, ta' fuq u makro. Id-diska hija madwar kwart tad-daqs. Ir-riċerka l-ġdida ta 'NatureNanotech skopriet il-proċess li tillimita l-użu tas-silikon f'batteriji tal-jone tal-litju u identifikat toroq ta' riċerka biex tegħleb dawn il-kwistjonijiet. Il-kapaċità tal-ħażna elettrika ta 'batterija b'anodu tas-silikon hija 10 darbiet dik ta' batterija b'anodu tipiku bbażat fuq il-grafita.

Dan l-istudju sar minn kollaboraturi minn serje ta’ laboratorji u universitajiet nazzjonali, li jintegraw tomografija ta’ elementi sensittivi permezz ta’ mikroskopija elettronika ta’ trażmissjoni ta’ skanjar f’temperatura baxxa (algoritmu analitiku avvanzat), u żvela l-istruttura relatata u l-evoluzzjoni kimika tas-silikon kif ukoll l-interazzjonijiet bejn elettroliti solidi fi 3D.

Yoo ħawwel foresta ta 'nanowires tas-silikon fuq diska tal-istainless steel bħala l-anodu għall-esperimenti tal-batterija. Il-faċilità CINT f'Los Alamos għandha kapaċità unika li tikber dan it-tip ta 'wajer tas-silikon direttament fuq l-anodu.

Kemm ir-riċerkaturi tal-laboratorju industrijali kif ukoll dawk nazzjonali jemmnu li s-silikon huwa l-aktar materjal promettenti ta 'elettrodu negattiv ta' kapaċità għolja għall-applikazzjoni prattika ta 'batteriji tal-jone tal-litju tal-ġenerazzjoni li jmiss. Il-batterija tinkludi anodu li jdaħħal l-elettroni u katodu li jċaqlaq l-elettroni 'l barra biex jiġġenera l-kurrent.

Bl-użu ta 'anodi bbażati fuq il-grafita u batteriji tal-jone tal-litju, il-firxa ta' telefowns ċellulari u vetturi elettriċi taqbeż l-400 mil. L-iżvilupp tal-ġenerazzjoni li jmiss bl-użu ta 'anodi tas-silikon, magħrufa li għandhom kapaċità ta' ħażna 10 darbiet dik tal-batteriji tal-anodi tal-grafita, ġie mfixkel minn degradazzjoni tal-kapaċità wara ċċarġjar ripetut.

Wara 100 ċiklu ta 'ċċarġjar/ħatt, l-użu ta' batteriji tas-silikon jista 'jamministra biss 60% tal-kapaċità ta' ħażna oriġinali tagħhom, li mhix tajba biżżejjed għat-teknoloġija ta 'kuljum.

Sa issa, ħadd ma jaf ir-raġuni eżatta.

F'applikazzjonijiet bikrija, meta partiċelli sferiċi tas-silikon ġew esposti għall-elettrolit u ċċarġjati, jespandu bi 300% u jagħmlu ħsara lill-anodu. Fit-tipi kollha ta 'batteriji, il-proċess li jesponi l-anodu għall-elettrolit jipproduċi reazzjoni biex jiffurmaw SEI. SEI huwa kruċjali għall-istabbiltà tal-batterija, peress li għandu rwol kruċjali fir-reazzjonijiet elettrokimiċi fi ħdan il-batterija u jikkontrolla l-istabbiltà tagħha.

Meta SEI jissepara mill-anodu, bħalma jagħmel bis-silikon, il-kuntatt elettriku jinkiser u l-kapaċità tal-batterija tonqos.

"Konna naħsbu li n-nanowires jistgħu jsolvu l-problema tal-espansjoni tas-silikon fl-elettroliti minħabba li wajer wieħed jista 'jiġi stirat, iżda aħna ma fhimniex x'ġara," spjega Yoo.

Yoo qal li riċerka ġdida sabet li l-elettroliti jistgħu jippenetraw fis-silikon kollu, jiffurmaw bwiet SEI u jfixklu l-mogħdijiet elettroniċi. Dan il-proċess jiskonnettja gżejjer iżolati tas-silikon fl-anodu li ma jistgħux iżidu l-kapaċità tal-batterija. Yoo qal li l-pass ta 'riċerka li jmiss huwa li jiksi partiċelli tas-silikon jew nanowires biex tinżamm l-integrità tas-silikon fil-preżenza ta' elettroliti.