Silīcija anodu muskuļi bateriju tehnoloģijā

Silīcijs ir digitālās revolūcijas pamatelements, kas novirza daudz signālu uz ierīci, kas' šobrīd, visticamāk, atrodas tikai collu attālumā no jūsu acīm.

Tagad tas pats bagātīgais, lētais materiāls kļūst par nopietnu kandidātu lielai lomai plaukstošajā akumulatoru biznesā. Tas' ir īpaši pievilcīgs, jo' spēj noturēt 10 reizes vairāk enerģijas svarīgā akumulatora daļā, anodā, nekā plaši izmantotais grafīts.

Bet ne tik ātri. Lai gan silīcijam ir liela reputācija zinātnieku vidū, pats materiāls uzbriest, kad tas' ir daļa no akumulatora. Tas uzbriest tik ļoti, ka anods pārslās un saplaisā, kā rezultātā akumulators zaudē spēju noturēt lādiņu un galu galā sabojājas.

Tagad zinātnieki pirmo reizi ir bijuši liecinieki šim procesam, kas ir svarīgs solis ceļā uz silīciju par dzīvotspējīgu izvēli, kas varētu uzlabot elektrisko transportlīdzekļu, kā arī mobilo tālruņu, klēpjdatoru, viedpulksteņu un citu ierīču akumulatoru izmaksas, veiktspēju un uzlādes ātrumu.

& quot;Daudzi cilvēki ir iztēlojušies, kas varētu notikt, bet neviens to iepriekš nebija pierādījis," sacīja Čonmins Vans, Enerģētikas departamenta' Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālās laboratorijas zinātnieks. Vangs ir atbilstošais autors nesen publicētajam rakstamDabas nanotehnoloģijas.

No silīcija anodiem, zemesriekstu sviesta krūzēm un iepakotiem aviokompāniju pasažieriem

Litija joni ir enerģijas valūta litija jonu akumulatorā, kas pārvietojas starp diviem elektrodiem uz priekšu un atpakaļ caur šķidrumu, ko sauc par elektrolītu. Kad litija joni iekļūst anodā, kas izgatavots no silīcija, tie iekļūst sakārtotajā struktūrā, nospiežot silīcija atomus šķībi, piemēram, resns aviokompānijas pasažieris, kas iespiežas vidējā sēdeklī pilnā lidojumā. Šis"litija spiediens" padara anodu trīs vai četras reizes lielāku par sākotnējo izmēru.

Kad litija joni atkāpjas, lietas'neatgriežas normālā stāvoklī. Paliek tukšas vietas, kas pazīstamas kā brīvas vietas. Pārvietotie silīcija atomi aizpilda daudzas, bet ne visas, vakances, piemēram, pasažieri ātri atņem tukšo vietu, kad vidējais pasažieris dodas uz tualeti. Bet litija joni atgriežas, atkal iespiežot ceļu iekšā. Process atkārtojas, kad litija joni virzās uz priekšu un atpakaļ starp anodu un katodu, un tukšās vietas silīcija anodā saplūst, veidojot tukšumus vai spraugas. Šīs nepilnības nozīmē akumulatora kļūmi.

Zinātnieki ir zinājuši par šo procesu gadiem ilgi, taču viņi' iepriekš nebija precīzi redzējuši, kā tas izraisa akumulatora atteici. Daži neveiksmi ir skaidrojuši ar silīcija un litija zudumu. Citi ir vainojuši galvenās sastāvdaļas, kas pazīstama kā cietā elektrolīta starpfāze jeb SEI, sabiezēšanu. SEI ir smalka struktūra anoda malā, kas ir svarīga vārteja starp anodu un šķidro elektrolītu.

Savos eksperimentos komanda vēroja, kā litija jonu atstātās vakances silīcija anodā attīstījās lielākās un lielākās spraugās. Tad viņi vēroja, kā šķidrais elektrolīts ieplūst spraugās kā sīkas upītes gar krasta līniju, iefiltrējoties silīcijā. Šī pieplūde ļāva SEI attīstīties silīcija apgabalos, kur tam nevajadzētu būt' molekulāram iebrucējam akumulatora daļā, kur tas nepieder'

Tas radīja mirušās zonas, iznīcinot silīcija spēju uzglabāt litiju un sabojāt anodu.

Padomājiet par zemesriekstu sviesta krūzi senatnīgā formā: šokolāde ārpusē atšķiras no mīkstā zemesriekstu sviesta iekšpusē. Bet, ja pārāk ilgi turat to rokā ar pārāk ciešu satvērienu, ārējais apvalks mīkstina un sajaucas ar mīksto šokolādi iekšpusē. Jūs'atliekat ar vienu nesakārtotu masu, kuras struktūra ir neatgriezeniski mainīta. Jums vairs nav īstas zemesriekstu sviesta krūzes. Tāpat pēc elektrolīta un SEI infiltrācijas silīcijā zinātniekiem vairs nav funkcionējoša anoda.

Komanda bija lieciniece tam, ka šis process sākās uzreiz pēc viena akumulatora cikla. Pēc 36 cikliem akumulatora' spēja noturēt lādiņu bija dramatiski kritusies. Pēc 100 cikliem anods tika sabojāts.

Silīcija anodu solījumu izpēte

Zinātnieki strādā pie veidiem, kā aizsargāt silīciju no elektrolīta. Vairākas grupas, tostarp PNNL zinātnieki, izstrādā pārklājumus, kas paredzēti, lai darbotos kā vārtsargi, ļaujot litija joniem iekļūt anodā un iziet no tā, vienlaikus apturot citus elektrolīta komponentus.

Zinātnieki no vairākām iestādēm apvienoja savas zināšanas, lai veiktu darbu. Los Alamos Nacionālās laboratorijas zinātnieki izveidoja pētījumā izmantotos silīcija nanovadus. PNNL zinātnieki strādāja kopā ar kolēģiem Thermo Fisher Scientific, lai modificētu kriogēnās transmisijas elektronu mikroskopu, lai samazinātu attēlveidošanai izmantoto elektronu radītos bojājumus. Un Penn State universitātes zinātnieki izstrādāja algoritmu, lai modelētu molekulāro darbību starp šķidrumu un silīciju.

Kopumā komanda izmantoja elektronus, lai izveidotu īpaši augstas izšķirtspējas procesa attēlus, un pēc tam rekonstruēja attēlus 3D formātā, līdzīgi kā ārsti izveido pacienta' ekstremitātes vai orgāna 3D attēlu.

& quot;Šis darbs piedāvā skaidru plānu silīcija kā lielas ietilpības akumulatora anoda izstrādei," teica Vanga.

PNNL darbs ir daļa no plašas pētniecības programmas, kurā tiek pētīti silīcija anodi, tostarp oriģinālie materiāli, piemēram, pārklājumi, jauni ierīču izgatavošanas veidi un jauns elektrolīts, kas palielina akumulatora darbības laiku.

Papildus Vangam, citi PNNL autori ir Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (arī atbilstošs autors) un Ji-Guang (Jason) Zhang.

Stāsta avots:

MateriālinodrošinaDOE/Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālā laboratorija. Oriģinālu rakstījis Toms Rikijs.Piezīme. Saturu var rediģēt pēc stila un garuma.