Het begrijpen van siliciumstoringen opent de weg voor onderzoek naar lithiumbatterijen met een hogere capaciteit

In lithium-ionbatterijen met siliciumdraad pelt de elektrolyt silicium af, wat elektronische paden belemmert en de oplaadcapaciteit van deze veelbelovende apparaten aanzienlijk vermindert.

Het nieuwe artikel (Progressieve groei van de vaste stof – Elektrolyte in de industrie heeft doelen gesteld voor de Siano de inter ocean batterijen) bevestigt dat dit proces nieuwe onderzoeksmogelijkheden opent, waarbij uiteindelijk het enorme potentieel van silicium wordt benut om hoge capaciteit en lange levensduur volledig te transformeren. -duurzame batterijen van mobiele telefoons tot auto's.

Jinkyoung Yoo, een wetenschapper bij het Los Alamos National Laboratory en de corresponderende auteur van het artikel, zei dat we met dit nieuwe inzicht voorstellen om een ​​coatingmethode te ontwikkelen die silicium isoleert van de elektrolyt om de prestaties van silicium nanodraad lithium-ionbatterijen te verbeteren. Yoo is een kweker van halfgeleidernanomaterialen bij het Integrated Technology Center (CINT), een gebruikersfaciliteit van het ministerie van Energie van de Los Alamos en Sandia National Laboratories.

Een foto van silicium nanodraden gegroeid op een roestvrijstalen schijf (met de klok mee vanuit de linkerbovenhoek) wordt weergegeven in zij-, boven- en macroweergaven. De schijf is ongeveer een kwart groot. Het nieuwe onderzoek van NatureNanotech heeft het proces ontdekt van het beperken van het gebruik van silicium in lithium-ionbatterijen en heeft onderzoeksmogelijkheden geïdentificeerd om deze problemen te overwinnen. De elektrische opslagcapaciteit van een batterij met een siliciumanode is 10 maal die van een batterij met een typische op grafiet gebaseerde anode.

Deze studie werd uitgevoerd door medewerkers van een reeks nationale laboratoria en universiteiten, waarbij tomografie van gevoelige elementen werd geïntegreerd door middel van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie bij lage temperatuur (een geavanceerd analytisch algoritme), en de gerelateerde structuur en chemische evolutie van silicium werd onthuld, evenals de interacties tussen vaste elektrolyten in 3D.

Yoo plantte een bos van silicium nanodraden op een roestvrijstalen schijf als anode voor batterij-experimenten. De CINT-faciliteit in Los Alamos heeft een uniek vermogen om dit type siliciumdraad rechtstreeks op de anode te laten groeien.

Zowel industriële als nationale laboratoriumonderzoekers zijn van mening dat silicium het meest veelbelovende negatieve elektrodemateriaal met hoge capaciteit is voor de praktische toepassing van de volgende generatie lithium-ionbatterijen. De batterij bevat een anode die elektronen naar binnen brengt en een kathode die elektronen naar buiten beweegt om stroom te genereren.

Met behulp van op grafiet gebaseerde anodes en lithium-ionbatterijen bedraagt ​​het bereik van mobiele telefoons en elektrische voertuigen meer dan 650 kilometer. De ontwikkeling van de volgende generatie met behulp van siliciumanodes, waarvan bekend is dat ze een opslagcapaciteit hebben die tien maal groter is dan die van grafietanodebatterijen, wordt gehinderd door capaciteitsverslechtering na herhaaldelijk opladen.

Na 100 oplaad-/ontlaadcycli kan het gebruik van siliciumbatterijen slechts 60% van hun oorspronkelijke opslagcapaciteit beheren, wat niet goed genoeg is voor de dagelijkse technologie.

Tot nu toe weet niemand de exacte reden.

In vroege toepassingen, wanneer bolvormige siliciumdeeltjes werden blootgesteld aan de elektrolyt en geladen, zetten ze met 300% uit en beschadigden ze de anode. Bij alle soorten batterijen veroorzaakt het proces waarbij de anode wordt blootgesteld aan de elektrolyt een reactie waarbij SEI wordt gevormd. SEI is cruciaal voor de stabiliteit van de batterij, omdat het een cruciale rol speelt in de elektrochemische reacties in de batterij en de stabiliteit ervan controleert.

Wanneer SEI zich losmaakt van de anode, zoals bij silicium, wordt het elektrische contact verbroken en neemt de batterijcapaciteit af.

"Vroeger dachten we dat nanodraden het probleem van de uitzetting van silicium in elektrolyten zouden kunnen oplossen omdat een enkele draad uitgerekt kon worden, maar we begrepen niet wat er gebeurde", legt Yoo uit.

Yoo zei dat uit nieuw onderzoek is gebleken dat elektrolyten door silicium kunnen dringen, SEI-pockets kunnen vormen en elektronische paden kunnen verstoren. Dit proces ontkoppelt geïsoleerde siliciumeilanden in de anode die de batterijcapaciteit niet kunnen vergroten. Yoo zei dat de volgende onderzoeksstap het coaten van siliciumdeeltjes of nanodraden is om de integriteit van silicium te behouden in de aanwezigheid van elektrolyten.