Múscul dels ànodes de silici a la tecnologia de la bateria

El silici és un element bàsic de la revolució digital, desviant un munt de senyals en un dispositiu que' probablement està a pocs centímetres dels teus ulls en aquest mateix moment.

Ara, aquest mateix material abundant i barat s'està convertint en un candidat seriós per a un paper important en el creixent negoci de les bateries.' és especialment atractiu perquè' és capaç de contenir 10 vegades més energia en una part important d'una bateria, l'ànode, que el grafit molt utilitzat.

Però no tan ràpid. Tot i que el silici té una gran reputació entre els científics, el material en si s'infla quan' forma part d'una bateria. S'infla tant que l'ànode s'escampa i s'esquerda, fent que la bateria perdi la seva capacitat per mantenir una càrrega i, finalment, falla.

Ara els científics han presenciat el procés per primera vegada, un pas important per fer del silici una opció viable que podria millorar el cost, el rendiment i la velocitat de càrrega de les bateries de vehicles elèctrics, així com de telèfons mòbils, ordinadors portàtils, rellotges intel·ligents i altres aparells.

& quot;Molta gent s'ha imaginat què podria estar passant, però ningú no ho havia demostrat abans," va dir Chongmin Wang, científic del Laboratori Nacional del Nord-oest del Pacífic del Departament d'Energia &. Wang és l'autor corresponent del document publicat recentment aNatura Nanotecnologia.

D'ànodes de silici, gots de mantega de cacauet i passatgers d'avió plens

Els ions de liti són la moneda energètica d'una bateria d'ions de liti, viatjant d'anada i tornada entre dos elèctrodes a través d'un líquid anomenat electròlit. Quan els ions de liti entren en un ànode fet de silici, es mouen cap a l'estructura ordenada, empenyent els àtoms de silici cap avall, com un fort passatger d'una línia aèria que s'estreny al seient central en un vol ple. Aquest"comprimit de liti" fa que l'ànode s'infle a tres o quatre vegades la mida original.

Quan els ions de liti surten, les coses no tornen a la normalitat. Queden espais buits coneguts com a vacants. Els àtoms de silici desplaçats omplen moltes, però no totes, les vacants, com els passatgers que recuperen ràpidament l'espai buit quan el passatger del mig es dirigeix ​​al lavabo. Però els ions de liti tornen, empenyent-se de nou. El procés es repeteix a mesura que els ions de liti es mouen cap endavant i cap enrere entre l'ànode i el càtode, i els espais buits de l'ànode de silici es fusionen per formar buits o buits. Aquests buits es tradueixen en una fallada de la bateria.

Els científics coneixen el procés des de fa anys, però abans no havien estat testimonis de com es tradueix en una fallada de la bateria. Alguns han atribuït el fracàs a la pèrdua de silici i liti. Altres han culpat de l'engrossiment d'un component clau conegut com a interfase d'electròlit sòlid o SEI. El SEI és una estructura delicada a la vora de l'ànode que és una important passarel·la entre l'ànode i l'electròlit líquid.

En els seus experiments, l'equip va observar com les vacants deixades pels ions de liti a l'ànode de silici evolucionaven cap a buits cada cop més grans. Llavors van veure com l'electròlit líquid fluïa als buits com petits rierols al llarg d'una línia de costa, infiltrant-se al silici. Aquesta entrada va permetre que el SEI es desenvolupés en àrees dins del silici on no hauria de ser' un invasor molecular en una part de la bateria on' no pertany.

Això va crear zones mortes, destruint la capacitat del silici per emmagatzemar liti i arruïnar l'ànode.

Penseu en una tassa de mantega de cacauet en forma prístina: la xocolata exterior és diferent de la suau mantega de cacauet a l'interior. Però si l'agafeu massa temps a la mà amb una agafada massa forta, la closca exterior s'estova i es barreja amb la xocolata suau de dins. Et quedes'una sola massa desordenada l'estructura de la qual canvia de manera irreversible. Ja no tens una veritable tassa de mantega de cacauet. De la mateixa manera, després que l'electròlit i el SEI s'infiltren al silici, els científics ja no tenen un ànode viable.

L'equip va presenciar que aquest procés començava immediatament després d'un sol cicle de bateria. Després de 36 cicles, la capacitat de la bateria' de mantenir una càrrega havia caigut dràsticament. Després de 100 cicles, l'ànode es va arruïnar.

Explorant la promesa dels ànodes de silici

Els científics estan treballant en maneres de protegir el silici de l'electròlit. Diversos grups, inclosos els científics del PNNL, estan desenvolupant recobriments dissenyats per actuar com a guardians, permetent que els ions de liti entrin i surtin de l'ànode mentre detenen altres components de l'electròlit.

Científics de diverses institucions van unir la seva experiència per fer el treball. Els científics del Laboratori Nacional de Los Alamos van crear els nanocables de silici utilitzats en l'estudi. Els científics de PNNL van treballar juntament amb els seus homòlegs de Thermo Fisher Scientific per modificar un microscopi electrònic de transmissió criogènic per reduir el dany dels electrons utilitzats per a la imatge. I els científics de la Penn State University van desenvolupar un algorisme per simular l'acció molecular entre el líquid i el silici.

En conjunt, l'equip va utilitzar electrons per fer imatges d'alta resolució del procés i després va reconstruir les imatges en 3D, de manera similar a com els metges creen una imatge en 3D de l'extremitat o òrgan d'un pacient'.

& quot;Aquest treball ofereix un full de ruta clar per desenvolupar silici com a ànode per a una bateria d'alta capacitat," va dir Wang.

A PNNL, el treball forma part d'un ampli programa de recerca que explora els ànodes de silici, que inclouen materials originals com els recobriments, noves maneres de fabricar els dispositius i un nou electròlit que augmenta la durada de la bateria.

A més de Wang, altres autors PNNL del document inclouen Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (també un autor corresponent) i Ji-Guang (Jason) Zhang.

Font de la història:

Materialsproporcionat perDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Original escrit per Tom Rickey.Nota: el contingut es pot editar per estil i longitud.