Откриването на “мъртва зона” може да оживее силициевите батерии с висока плътност

Сподели
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

С потенциал да задържа в пъти повече енергия от графита, който би заменил, силицийът е примамливо предложение за учени, работещи върху литиеви батерии от следващо поколение. Проблемът е, че силицийът не издържа толкова добре на напреженията, свързани с колоезденето на батерията, но чрез първи по рода си наблюдения изследователите са получили нова представа за причините за това и са открили улики за това как това бързо влошаване може да се случи да се избягва.

Учените, работещи за интегриране на силиций в литиево-йонни батерии, се надяват да включат или изцяло да заменят графита, използван като аноден компонент, където той има потенциал да съхранява до 10 пъти повече енергия. Проблемът обаче е, че когато батерията се зарежда и разрежда, силицийът се набъбва и кара анода да се напука, което в крайна сметка разрушава всеки шанс на батерията да поддържа заряд.

Видяхме някои интересни подходи за решаване на тази дилема през годините, включително използването на силиций със специални наноструктури, комбинирането му с твърди електролити, образуване на силициеви сандвичи или затваряне на материала в графен. Но новото разбиране на причините, поради които силициевите аноди бързо се провалят, би могло значително да подпомогне усилията за укрепване на тяхната стабилност, като учените от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория сега стават свидетели на процеса с безпрецедентни подробности.

Тъй като батерията се циклира, литиевите йони се движат напред и назад между анода и другия електрод, катода, чрез течен електролит. Когато тези йони навлизат в силиконов анод, те изтласкват силициевите атоми настрани, което кара анода да набъбне до три или четири пъти по -голям от него. След това, когато литиевите йони напуснат отново, те създават празни кухини, които причиняват бърза повреда на батерията.

Учените от PNNL са използвали трансмисионен електронен микроскоп, за да уловят молекулярното действие вътре в литиево-йонна батерия със силиконов анод

Чонмин Уанг/Тихоокеанска северозападна национална лаборатория

Изследователите са използвали модифициран трансмисионен електронен микроскоп, за да регистрират молекулярната активност в литиева батерия със силиконов анод, докато се зарежда и разрежда. Това показа, че когато заминаващите литиеви йони създават тези свободни места, те се развиват в все по -големи празнини, в които течният електролит след това ще се измие.

Това имаше ефект на изкривяване на ключова структура на ръба на анода, наречена твърдо-електролитна интерфаза, като я видя да проникне в анода и да се образува в области, където не би трябвало. Крайният резултат от това е създаването на “мъртви зони”, които оставят анода да не може да функционира. Учените видяха, че този процес започва само след един цикъл на батерията и с 36 цикъла способността на батерията да задържа заряд е значително намалена. След 100 цикъла анодът е разрушен.

“С настоящото наблюдение е ясно, че за решаването на проблема със силиция е от съществено значение да се образува твърда обвивка, която да изолира силиция от течния електролит”, обяснява съавторът на статията Чонмин Уанг пред New Atlas. “Има два начина да направите това. Един от начините е” импровизираното “образуване на твърда обвивка върху силиций при първоначалното функциониране на батерията, която трябва да коригира състава на течния електролит, за да позволи образуването на такава интелигентна обвивка. Като алтернатива, може да се нанесе интелигентен слой покритие върху силиций, което води до изолиране на силиция от контакт с течен електролит. “

С отварянето на тези обещаващи нови пътища учените сега извършват „интензивни“ изследвания и разработки за решаване на проблема със силиция.

“Трудно е да се предвиди колко време ще отнеме това, тъй като трябва да разберем слой” покритие “върху силиций, който отговаря както на йонната и електронната проводимост, така и на механичната устойчивост”, казва Уанг.

Изследването е публикувано в списанието Природна нанотехнология.

Източник: Тихоокеанска северозападна национална лаборатория

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •