A szilícium anód leromlásának leképezésére szolgáló új módszerrel várhatóan jobb újratölthető elemek érhetők el

A kutatók azt sugallják, hogy a szilícium szerkezetének és kémiai evolúciójának jellemzésére szolgáló új módszer, valamint az akkumulátor stabilitását szabályozó vékony réteg segíthet megoldani a szilícium nagy kapacitású akkumulátorokban való felhasználásának megakadályozását.

A kutatás középpontjában az anód, a negatív elektróda és az elektrolit közötti interfész áll, amely lehetővé teszi a töltések mozgását az anód és egy másik elektród (katód) között. A szilárd elektrolit interfázis (SEI) réteg általában az elektróda felületén jön létre a szilárd elektróda és a folyékony elektrolit között, ami kulcsfontosságú az akkumulátorok elektrokémiai reakcióihoz és az akkumulátorok stabilitásának szabályozásához. A szilícium anódként való használatával jobb újratölthető elemek érhetők el.

Az elmúlt 10 évben a szilícium sok figyelmet keltett, mint az újratölthető akkumulátorok nagy kapacitású negatív elektródája. Zhang Sulin, a mérnöki tudomány, a mechanika és a biotechnológia professzora elmondta, hogy a kereskedelmi forgalomban lévő akkumulátorok jelenleg grafitot használnak negatív elektróda anyagaként, de a szilícium kapacitása körülbelül 10-szerese a grafiténak. Ezért több tízmillió, százmillió vagy akár több százmillió dollárt szentelnek a szilíciumakkumulátor-kutatásnak.

Egy olyan társadalom számára, amely azt reméli, hogy elektromos járművekkel és nagy teljesítményű hordozható elektronikai eszközökkel villamosítja infrastruktúráját, ez jó hír, de vannak kihívások is. Az akkumulátorok töltési és kisütési folyamata során a szilícium térfogata kitágul és összehúzódik, ami a szilícium anyag repedéséhez vezet, és a SEI újra és újra megtörik és regenerálódik. Ez az elektromos érintkezés elvesztését és a kapacitás csökkenését eredményezi, ami az akkumulátorban tárolt töltés mértéke.

Ennek a folyamatnak a szerkezeti és kémiai kibontakozásának pontos megértése kulcsfontosságú a problémák megoldásához.

Mivel ennek a rétegnek a stabilitása szabályozza az akkumulátor stabilitását, nem szeretné, hogy az ellenőrizhetetlenül növekedjen, mert ennek a rétegnek a kialakulása elektrolit anyagokat és aktív lítiumot fogyaszt. Zhang elmondta, hogy ez az elektrolit kiszáradását és az aktív anyag elvesztését okozhatja, ami kedvezőtlenül befolyásolja az akkumulátor teljesítményét.

A legnagyobb kihívás, amelyet Zhang és csapata a Nature Nanotechnology folyóiratban mutatott be, a folyamat megfigyelésének, jellemzésének és megértésének képessége.

A SEI réteg kulcsfontosságú az akkumulátorok számára, mondta Zhang, de nagyon vékony, és nem látható optikai mikroszkóp alatt, és dinamikusan fejlődik az akkumulátor ciklusa során. Transzmissziós elektronmikroszkóppal nagyon nanoméretű, nagyon vékony anyagokon figyelhető meg. De a SEI esetében ez a réteg nagyon puha, és az elektronsugarak könnyen megsérülnek, mivel nagy mennyiségű elektront kell küldenie az anyagösszetétel nagy felbontású képeinek elkészítéséhez.

A probléma megoldására a kutatók alacsony hőmérsékletű pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópiát (cryo STEM) alkalmaztak. Alacsony hőmérsékleten tartották a keringő elektród anyagát az alacsony hőmérsékletű STEM mikroszkópos képalkotás előkészítése és alkalmazása során, hogy minimalizálják a minta elektronsugaras károsodását. Ezenkívül integrálták az érzékeny elemes tomográfiát a 3D-s képalkotáshoz és olyan fejlett algoritmusokat, amelyek célja az alacsonyabb elektrondózisú képek rögzítése. Ezzel a technológiával a SEI szilícium kölcsönhatás 3D-s képe érhető el, amelyet különböző akkumulátorciklusok után rögzítenek.

Módszerünk egyedisége az alacsony hőmérsékletű STEM képalkotásban és a több fizikai folyamatmodellezésben rejlik. Zhang azt mondta, hogy elképzelhetjük a szilícium és a SEI fejlődését az akkumulátor ciklus után; Eközben számítási szimulációkat használhatunk a teljes mikrostruktúra evolúciós folyamat újraírására a ciklus során. Ez a tanulmány újdonsága.

A csapat munkája lehetővé tette az emberek számára, hogy jobban megértsék azokat a mechanizmusokat, amelyek a szilícium anódokban lévő SEI rétegek növekedéséhez és instabilitásához vezetnek.

Ezért a SEI rétegek növekedési mechanizmusának megértésével ez sok betekintést ad a szilícium anódok vagy akkumulátorok teljesítményének javításába, mondta Zhang. Ezután robusztusabb szilícium anódokat gyárthatunk a lítium akkumulátorok következő generációjához.

Kifejtette, hogy a lítium akkumulátorok következő generációja számos előnnyel jár az ipar és a hétköznapi fogyasztók számára.

A szilícium nagyon bőséges, és ha hosszú élettartamú anódként tudjuk használni a szilíciumot, nagymértékben növeljük az újratölthető akkumulátorok kapacitását, mondta Zhang. Sőt, a bőséges szilíciumforrás miatt ez csökkenti az akkumulátorok árát.

Mivel kritikusan megértette a SEI réteg fejlődését a szilícium negatív elektródák töltése és kisütése során, Zhang azt mondta, hogy a következő lépés az lesz, hogy ezt a tudást felhasználja egy olyan szilícium negatív elektród akkumulátor megtervezéséhez, amely nem veszít kapacitásából a kerékpározás miatt.

"A lehetséges mechanizmusok megértésével a következő lépés néhány tudományos hipotézis létrehozása" - mondta Zhang. Ezután ezt a hipotézist szilícium anóddal teszteljük, hogy mérsékelhessük a szilícium térfogatváltozásaival kapcsolatos káros hatásokat. A jelenlegi nem szabályozható tényezők szabályozásával jobb teljesítményű szilícium elektródákat tervezhetünk.

A Pennsylvaniai Állami Egyetem kutatói, valamint Zhang részt vettek ebben a tanulmányban, köztük Tianwu Chen és Dingchuan Xue mérnöki és mechanikai végzős hallgatók. További kutatók közé tartozik Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin és Zhang Jiguang a Csendes-óceán északnyugati nemzeti laboratóriumából; A ThermoFisher Scientifictól, LinJiangtól, ArdaGenctől, CedricBouchet Marquistól, Lee Pullantól és TedTessnertől; A Los Alamos Nemzeti Laboratóriumból, JinyoungYoo. Az Energiaügyi Minisztérium és a Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatta ezt a kutatást.