Ανόδιος μυς πυριτίου στην τεχνολογία μπαταριών

Το πυρίτιο είναι βασικό στοιχείο της ψηφιακής επανάστασης, μετατρέποντας πολλά σήματα σε μια συσκευή που' είναι πιθανότατα μόλις λίγα εκατοστά από τα μάτια σας αυτή τη στιγμή.

Τώρα, το ίδιο άφθονο, φθηνό υλικό γίνεται σοβαρός υποψήφιος για έναν μεγάλο ρόλο στην αναπτυσσόμενη επιχείρηση μπαταριών. Είναι ιδιαίτερα ελκυστικό επειδή είναι ικανό να συγκρατεί 10 φορές περισσότερη ενέργεια σε ένα σημαντικό μέρος μιας μπαταρίας, την άνοδο, από τον ευρέως χρησιμοποιούμενο γραφίτη.

Όχι όμως τόσο γρήγορα. Ενώ το πυρίτιο έχει μια φήμη διογκώσεως μεταξύ των επιστημόνων, το ίδιο το υλικό διογκώνεται όταν' είναι μέρος μιας μπαταρίας. Διογκώνεται τόσο πολύ που η άνοδος ξεφλουδίζει και ραγίζει, με αποτέλεσμα η μπαταρία να χάνει την ικανότητά της να συγκρατεί τη φόρτιση και τελικά να αστοχεί.

Τώρα οι επιστήμονες είδαν τη διαδικασία για πρώτη φορά, ένα σημαντικό βήμα για να γίνει το πυρίτιο μια βιώσιμη επιλογή που θα μπορούσε να βελτιώσει το κόστος, την απόδοση και την ταχύτητα φόρτισης των μπαταριών για ηλεκτρικά οχήματα, καθώς και για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, έξυπνα ρολόγια και άλλα gadget.

& quot;Πολλοί άνθρωποι έχουν φανταστεί τι μπορεί να συμβαίνει, αλλά κανείς δεν το είχε αποδείξει πριν," είπε ο Chongmin Wang, επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού του Τμήματος Ενέργειας'. Ο Wang είναι ένας αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στοΝανοτεχνολογία Φύσης.

Από ανόδους πυριτίου, φλιτζάνια φυστικοβούτυρου και γεμάτους επιβάτες αεροπορικών εταιρειών

Τα ιόντα λιθίου είναι το ενεργειακό νόμισμα σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, που ταξιδεύουν εμπρός και πίσω μεταξύ δύο ηλεκτροδίων μέσω του υγρού που ονομάζεται ηλεκτρολύτης. Όταν τα ιόντα λιθίου εισέρχονται σε μια άνοδο κατασκευασμένη από πυρίτιο, εισχωρούν στην ομαλή δομή, σπρώχνοντας τα άτομα του πυριτίου λοξά, όπως ένας εύσωμος επιβάτης αεροπορικής εταιρείας που πιέζεται στο μεσαίο κάθισμα σε μια γεμάτη πτήση. Αυτό το"λίθιο συμπίεση" κάνει την άνοδο να διογκωθεί σε τρεις ή τέσσερις φορές το αρχικό της μέγεθος.

Όταν τα ιόντα λιθίου αποχωρούν, τα πράγματα δεν επιστρέφουν στο φυσιολογικό. Παραμένουν κενοί χώροι γνωστοί ως κενές θέσεις. Τα εκτοπισμένα άτομα πυριτίου γεμίζουν πολλές, αλλά όχι όλες, τις κενές θέσεις, όπως οι επιβάτες που παίρνουν γρήγορα πίσω τον κενό χώρο όταν ο μεσαίος επιβάτης κατευθύνεται προς την τουαλέτα. Αλλά τα ιόντα λιθίου επιστρέφουν, πιέζοντας το δρόμο τους ξανά προς τα μέσα. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται καθώς τα ιόντα λιθίου κινούνται εμπρός και πίσω μεταξύ της ανόδου και της καθόδου και οι κενοί χώροι στην άνοδο του πυριτίου συγχωνεύονται για να σχηματίσουν κενά ή κενά. Αυτά τα κενά μεταφράζονται σε αστοχία της μπαταρίας.

Οι επιστήμονες γνώριζαν για τη διαδικασία εδώ και χρόνια, αλλά δεν είχαν δει στο παρελθόν πώς ακριβώς οδηγεί σε αστοχία της μπαταρίας. Κάποιοι έχουν αποδώσει την αποτυχία στην απώλεια πυριτίου και λιθίου. Άλλοι έχουν κατηγορήσει την πάχυνση ενός βασικού συστατικού που είναι γνωστό ως ενδιάμεση φάση στερεού ηλεκτρολύτη ή SEI. Το SEI είναι μια λεπτή δομή στην άκρη της ανόδου που είναι μια σημαντική πύλη μεταξύ της ανόδου και του υγρού ηλεκτρολύτη.

Στα πειράματά της, η ομάδα παρακολούθησε καθώς οι κενές θέσεις που άφηναν τα ιόντα λιθίου στην άνοδο του πυριτίου εξελίσσονταν σε όλο και μεγαλύτερα κενά. Στη συνέχεια παρακολούθησαν καθώς ο υγρός ηλεκτρολύτης έρεε στα κενά σαν μικροσκοπικά ρυάκια κατά μήκος μιας ακτογραμμής, διεισδύοντας στο πυρίτιο. Αυτή η εισροή επέτρεψε στο SEI να αναπτυχθεί σε περιοχές εντός του πυριτίου όπου δεν θα έπρεπε να είναι, ένας μοριακός εισβολέας σε ένα μέρος της μπαταρίας όπου δεν ανήκει'

Αυτό δημιούργησε νεκρές ζώνες, καταστρέφοντας την ικανότητα του πυριτίου να αποθηκεύει λίθιο και καταστρέφοντας την άνοδο.

Σκεφτείτε ένα φλιτζάνι φυστικοβούτυρου σε παρθένο σχήμα: Η σοκολάτα εξωτερικά διαφέρει από το μαλακό φυστικοβούτυρο μέσα. Αλλά αν το κρατάτε πολύ στο χέρι σας με πολύ σφιχτό πιάσιμο, το εξωτερικό κέλυφος μαλακώνει και αναμειγνύεται με την μαλακή σοκολάτα μέσα. Σας' Έχετε μείνει με μια ενιαία διαταραγμένη μάζα της οποίας η δομή αλλάζει αμετάκλητα. Δεν έχετε πλέον ένα αληθινό φλιτζάνι με φυστικοβούτυρο. Ομοίως, αφού ο ηλεκτρολύτης και το SEI διεισδύσουν στο πυρίτιο, οι επιστήμονες δεν έχουν πλέον λειτουργική άνοδο.

Η ομάδα είδε ότι αυτή η διαδικασία ξεκίνησε αμέσως μετά από έναν μόνο κύκλο μπαταρίας. Μετά από 36 κύκλους, η ικανότητα της μπαταρίας' να κρατά μια φόρτιση είχε μειωθεί δραματικά. Μετά από 100 κύκλους, η άνοδος καταστράφηκε.

Εξερευνώντας την υπόσχεση των ανοδίων πυριτίου

Οι επιστήμονες εργάζονται σε τρόπους προστασίας του πυριτίου από τον ηλεκτρολύτη. Αρκετές ομάδες, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων στο PNNL, αναπτύσσουν επιστρώσεις σχεδιασμένες να λειτουργούν ως φύλακες, επιτρέποντας στα ιόντα λιθίου να εισέρχονται και να βγαίνουν από την άνοδο, ενώ σταματούν άλλα συστατικά του ηλεκτρολύτη.

Επιστήμονες από διάφορα ιδρύματα συγκέντρωσαν την πείρα τους για να κάνουν τη δουλειά. Οι επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος δημιούργησαν τα νανοσύρματα πυριτίου που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη. Οι επιστήμονες του PNNL συνεργάστηκαν με ομολόγους του στο Thermo Fisher Scientific για να τροποποιήσουν ένα κρυογονικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης για να μειώσουν τη ζημιά από τα ηλεκτρόνια που χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση. Και οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Penn State ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο για την προσομοίωση της μοριακής δράσης μεταξύ του υγρού και του πυριτίου.

Συνολικά, η ομάδα χρησιμοποίησε ηλεκτρόνια για να κάνει εικόνες εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης της διαδικασίας και στη συνέχεια ανακατασκεύασε τις εικόνες σε 3D, παρόμοια με τον τρόπο που οι γιατροί δημιουργούν μια τρισδιάστατη εικόνα του μέλους ή του οργάνου ενός ασθενούς'.

& quot;Αυτή η εργασία προσφέρει έναν σαφή οδικό χάρτη για την ανάπτυξη πυριτίου ως ανόδου για μια μπαταρία υψηλής χωρητικότητας," είπε ο Γουάνγκ.

Στο PNNL, η εργασία είναι μέρος ενός ευρέος ερευνητικού προγράμματος που εξερευνά ανόδους πυριτίου, συμπεριλαμβανομένων πρωτότυπων υλικών όπως επιστρώσεις, νέους τρόπους κατασκευής των συσκευών και ενός νέου ηλεκτρολύτη που αυξάνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Εκτός από τον Wang, άλλοι συγγραφείς PNNL της εργασίας περιλαμβάνουν τους Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (επίσης αντίστοιχος συγγραφέας) και Ji-Guang (Jason) Zhang.

Πηγή ιστορίας:

Υλικάπαρέχεται απόDOE/Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού. Πρωτότυπο γραμμένο από τον Tom Rickey.Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να επεξεργαστεί για στυλ και μήκος.