Pričakuje se, da bo nova metoda za slikanje razgradnje silicijeve anode dosegla boljše polnilne baterije

Raziskovalci predlagajo, da bi lahko nova metoda za karakterizacijo strukture in kemičnega razvoja silicija ter tanka plast, ki nadzoruje stabilnost baterije, pomagala pri reševanju vprašanja preprečevanja uporabe silicija v visokozmogljivih baterijah.

Poudarek raziskave je na vmesniku med anodo, negativno elektrodo in elektrolitom, ki omogoča premikanje nabojev med anodo in drugo elektrodo (katodo). Medfazna plast trdnega elektrolita (SEI) se običajno oblikuje na površini elektrode med trdno elektrodo in tekočim elektrolitom, kar je ključnega pomena za elektrokemične reakcije v baterijah in nadzor stabilnosti baterij. Z uporabo silicija kot anode lahko dosežete boljše polnilne baterije.

V zadnjih 10 letih je silicij pritegnil veliko pozornosti kot visoko zmogljiva negativna elektroda za baterije za ponovno polnjenje. Profesor Zhang Sulin iz inženirskih znanosti ter mehanike in biotehnologije je dejal, da trenutno komercialne baterije uporabljajo grafit kot material negativne elektrode, vendar je zmogljivost silicija približno 10-krat večja od grafita. Zato je raziskavam silicijevih baterij namenjenih desetine milijonov, stotine milijonov ali celo stotine milijonov dolarjev.

Za družbo, ki upa, da bo svojo infrastrukturo elektrificirala z električnimi vozili in zmogljivimi prenosnimi elektronskimi napravami, je to dobra novica, vendar obstajajo tudi izzivi. Med postopkom polnjenja in praznjenja baterij se bo volumen silicija širil in krčil, kar bo vodilo do razpokanja silicijevega materiala, SEI pa se bo zlomil in znova in znova regeneriral. To bo povzročilo izgubo električnega stika in zmanjšanje zmogljivosti, ki je količina napolnjenosti, shranjene v bateriji.

Natančno razumevanje, kako se ta proces odvija strukturno in kemično, je ključnega pomena za reševanje problemov.

Ker stabilnost te plasti nadzoruje stabilnost baterije, ne želite, da nenadzorovano raste, saj bo tvorba te plasti porabila elektrolitske materiale in aktivni litij. Zhang je dejal, da lahko to povzroči izsušitev elektrolita in izgubo aktivne snovi, kar negativno vpliva na delovanje baterije.

Glavni izziv, ki sta ga Zhang in njegova ekipa predstavila v reviji Nature Nanotechnology, je sposobnost opazovanja, karakterizacije in razumevanja tega procesa.

Plast SEI je ključnega pomena za baterije, je dejal Zhang, vendar je zelo tanek in ga ni mogoče videti pod nobenim optičnim mikroskopom ter se dinamično razvija med cikliranjem baterije. S transmisijsko elektronsko mikroskopijo ga lahko opazujemo na zelo tankih materialih v nanometrskem merilu. Toda za SEI je ta plast zelo mehka in jo elektronski žarki zlahka poškodujejo, saj morate poslati veliko količino elektronov, da dobite slike sestave materiala v visoki ločljivosti.

Da bi rešili to težavo, so raziskovalci uporabili nizkotemperaturno skenirno transmisijsko elektronsko mikroskopijo (cryo STEM). Med pripravo in uporabo nizkotemperaturnega mikroskopskega slikanja STEM so ohranili material krožeče elektrode pri nizki temperaturi, da bi zmanjšali poškodbe vzorca zaradi elektronskega žarka. Poleg tega so integrirali tomografijo občutljivih elementov za 3D slikanje in napredne algoritme, namenjene zajemanju slik pri nižjih odmerkih elektronov. Ta tehnologija omogoča 3D pogled na interakcijo silicija SEI, posneto po različnih ciklih baterije.

Edinstvenost naše metode je v nizkotemperaturnem STEM slikanju in multifizikalnem modeliranju procesov. Zhang je dejal, da si lahko vizualiziramo razvoj silicija in SEI po cikliranju baterije; Medtem lahko uporabimo računalniške simulacije, da ponovno izrazimo celoten razvojni proces mikrostrukture med ciklom. To je novost te študije.

Delo te ekipe je ljudem omogočilo boljše razumevanje mehanizmov, ki vodijo do rasti in nestabilnosti plasti SEI v silicijevih anodah.

Zato nam bo z razumevanjem mehanizma rasti plasti SEI to dalo veliko vpogledov v to, kako izboljšati delovanje silicijevih anod ali modelov baterij, je dejal Zhang. Potem lahko izdelamo bolj robustne silicijeve anode za naslednjo generacijo litijevih baterij.

Pojasnil je, da bo naslednja generacija litijevih baterij industriji in običajnim potrošnikom prinesla številne koristi.

Silicija je zelo veliko in če lahko uporabimo silicij kot anodo z dolgo življenjsko dobo, bomo močno povečali kapaciteto baterij za ponovno polnjenje, je dejal Zhang. Poleg tega bo to zaradi obilnih virov silicija znižalo ceno baterij.

S kritičnim razumevanjem razvoja sloja SEI med polnjenjem in praznjenjem silicijevih baterij z negativno elektrodo je Zhang dejal, da bo naslednji korak uporaba tega znanja za pomoč pri načrtovanju silicijeve baterije z negativno elektrodo, ki ne bo izgubila zmogljivosti zaradi cikliranja.

"Z razumevanjem potencialnih mehanizmov je naslednji korak ustvarjanje nekaterih znanstvenih hipotez, " je dejal Zhang. Nato bomo to hipotezo preizkusili z uporabo silicijeve anode, da bomo lahko ublažili škodljive učinke, povezane s spremembami volumna silicija. Z nadzorovanjem trenutnih nenadzorovanih dejavnikov lahko oblikujemo silicijeve elektrode z boljšim delovanjem.

Raziskovalci z univerze Pennsylvania State so skupaj z Zhangom sodelovali v tej študiji, vključno s študentoma inženirskih znanosti in mehanike Tianwu Chen in Dingchuan Xue. Drugi raziskovalci so Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin in Zhang Jiguang iz Pacific Northwest National Laboratory; Od ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan in TedTessner; Iz nacionalnega laboratorija Los Alamos, JinkyoungYoo. Ministrstvo za energijo in Nacionalna znanstvena fundacija sta podprla to raziskavo.