Η κατανόηση της αστοχίας πυριτίου ανοίγει το δρόμο για έρευνα για μπαταρίες λιθίου υψηλότερης χωρητικότητας

Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου με σύρμα πυριτίου, ο ηλεκτρολύτης αφαιρεί το πυρίτιο, το οποίο εμποδίζει τις ηλεκτρονικές διαδρομές και μειώνει σημαντικά την ικανότητα φόρτισης αυτών των πολλά υποσχόμενων συσκευών.

Η νέα εργασία (Η προοδευτική ανάπτυξη του στερεού – Ο ηλεκτρολύτης στη βιομηχανία έχει θέσει στόχους για τις μπαταρίες Siano de inter ocean) επιβεβαιώνει ότι αυτή η διαδικασία ανοίγει νέους ερευνητικούς δρόμους, αξιοποιώντας τελικά τις τεράστιες δυνατότητες του πυριτίου για να μεταμορφώσει πλήρως τις μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας και μακράς διάρκειας. -Μπαταρίες διάρκειας από κινητά τηλέφωνα μέχρι αυτοκίνητα.

Ο Jinkyoung Yoo, επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος και ο αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας, είπε ότι με αυτή τη νέα κατανόηση, προτείνουμε την ανάπτυξη μιας μεθόδου επίστρωσης που απομονώνει το πυρίτιο από τον ηλεκτρολύτη για να βελτιώσει την απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου νανοσύρματος πυριτίου. Ο Yoo είναι παραγωγός νανοϋλικών ημιαγωγών στο Κέντρο Ολοκληρωμένης Τεχνολογίας (CINT), το οποίο είναι μια εγκατάσταση χρήστη του Τμήματος Ενέργειας στα Εθνικά Εργαστήρια Los Alamos και Sandia.

Μια φωτογραφία νανοσυρμάτων πυριτίου που έχουν αναπτυχθεί σε δίσκο από ανοξείδωτο χάλυβα (δεξιόστροφα από την επάνω αριστερή γωνία) εμφανίζεται σε πλάγια, επάνω και μακροσκοπική προβολή. Το μέγεθος του δίσκου είναι περίπου ένα τέταρτο. Η νέα έρευνα της NatureNanotech ανακάλυψε τη διαδικασία περιορισμού της χρήσης πυριτίου σε μπαταρίες ιόντων λιθίου και προσδιόρισε ερευνητικούς δρόμους για να ξεπεραστούν αυτά τα ζητήματα. Η ηλεκτρική χωρητικότητα αποθήκευσης μιας μπαταρίας με άνοδο πυριτίου είναι 10 φορές μεγαλύτερη από μια μπαταρία με τυπική άνοδο με βάση τον γραφίτη.

Αυτή η μελέτη διεξήχθη από συνεργάτες από μια σειρά εθνικών εργαστηρίων και πανεπιστημίων, ενσωματώνοντας ευαίσθητη τομογραφία στοιχείων μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης σάρωσης χαμηλής θερμοκρασίας (ένας προηγμένος αναλυτικός αλγόριθμος) και αποκαλύπτοντας τη σχετική δομή και τη χημική εξέλιξη του πυριτίου καθώς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ στερεοί ηλεκτρολύτες σε 3D.

Ο Yoo φύτεψε ένα δάσος από νανοσύρματα πυριτίου σε έναν δίσκο από ανοξείδωτο χάλυβα ως άνοδο για πειράματα μπαταρίας. Η εγκατάσταση CINT στο Los Alamos έχει μια μοναδική ικανότητα να αναπτύσσει αυτόν τον τύπο σύρματος πυριτίου απευθείας στην άνοδο.

Τόσο οι βιομηχανικοί όσο και οι εθνικοί ερευνητές εργαστηρίων πιστεύουν ότι το πυρίτιο είναι το πιο πολλά υποσχόμενο υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου υψηλής χωρητικότητας για την πρακτική εφαρμογή μπαταριών ιόντων λιθίου επόμενης γενιάς. Η μπαταρία περιλαμβάνει μια άνοδο που φέρνει ηλεκτρόνια μέσα και μια κάθοδο που μετακινεί τα ηλεκτρόνια προς τα έξω για να δημιουργήσει ρεύμα.

Χρησιμοποιώντας ανόδους με βάση γραφίτη και μπαταρίες ιόντων λιθίου, η εμβέλεια των κινητών τηλεφώνων και των ηλεκτρικών οχημάτων υπερβαίνει τα 400 μίλια. Η ανάπτυξη της επόμενης γενιάς με χρήση ανοδίων πυριτίου, που είναι γνωστό ότι έχουν χωρητικότητα αποθήκευσης 10 φορές μεγαλύτερη από τις μπαταρίες ανόδου γραφίτη, έχει παρεμποδιστεί από την υποβάθμιση της χωρητικότητας μετά από επαναλαμβανόμενη φόρτιση.

Μετά από 100 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης, η χρήση μπαταριών πυριτίου μπορεί να διαχειριστεί μόνο το 60% της αρχικής χωρητικότητας αποθήκευσης, κάτι που δεν είναι αρκετά καλό για την καθημερινή τεχνολογία.

Μέχρι στιγμής κανείς δεν γνωρίζει τον ακριβή λόγο.

Σε πρώιμες εφαρμογές, όταν τα σφαιρικά σωματίδια πυριτίου εκτίθενται στον ηλεκτρολύτη και φορτίζονται, διαστέλλονται κατά 300% και καταστρέφουν την άνοδο. Σε όλους τους τύπους μπαταριών, η διαδικασία έκθεσης της ανόδου στον ηλεκτρολύτη παράγει μια αντίδραση για το σχηματισμό SEI. Το SEI είναι ζωτικής σημασίας για τη σταθερότητα της μπαταρίας, καθώς παίζει καθοριστικό ρόλο στις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις εντός της μπαταρίας και ελέγχει τη σταθερότητά της.

Όταν το SEI διαχωρίζεται από την άνοδο, όπως ακριβώς συμβαίνει με το πυρίτιο, η ηλεκτρική επαφή σπάει και η χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται.

«Σκεφτήκαμε ότι τα νανοσύρματα θα μπορούσαν να λύσουν το πρόβλημα της διαστολής του πυριτίου στους ηλεκτρολύτες επειδή ένα μόνο καλώδιο μπορούσε να τεντωθεί, αλλά δεν καταλάβαμε τι συνέβη», εξήγησε ο Yoo.

Ο Yoo είπε ότι νέα έρευνα έχει βρει ότι οι ηλεκτρολύτες μπορούν να διεισδύσουν σε όλο το πυρίτιο, σχηματίζοντας θύλακες SEI και διαταράσσοντας ηλεκτρονικά μονοπάτια. Αυτή η διαδικασία αποσυνδέει μεμονωμένες νησίδες πυριτίου στην άνοδο που δεν μπορούν να αυξήσουν τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Ο Yoo είπε ότι το επόμενο ερευνητικό βήμα είναι να επικαλυφθούν σωματίδια πυριτίου ή νανοσύρματα για να διατηρηθεί η ακεραιότητα του πυριτίου παρουσία ηλεκτρολυτών.