Anodi di silicio Muscle nella tecnologia a batteria

Il silicio è un punto fermo della rivoluzione digitale, in quanto invia un sacco di segnali su un dispositivo che probabilmente è a pochi centimetri dai tuoi occhi in questo preciso momento.

Ora, quello stesso materiale abbondante ed economico sta diventando un serio candidato per un ruolo importante nel fiorente business delle batterie.'è particolarmente attraente perché'è in grado di contenere 10 volte più energia in una parte importante di una batteria, l'anodo, rispetto alla grafite ampiamente utilizzata.

Ma non così velocemente. Mentre il silicio gode di un'ottima reputazione tra gli scienziati, il materiale stesso si gonfia quando fa parte di una batteria. Si gonfia così tanto che l'anodo si sfalda e si rompe, facendo perdere alla batteria la capacità di mantenere la carica e infine guastarsi.

Ora gli scienziati hanno assistito per la prima volta al processo, un passo importante per rendere il silicio una scelta praticabile che potrebbe migliorare il costo, le prestazioni e la velocità di ricarica delle batterie per i veicoli elettrici, nonché per telefoni cellulari, laptop, orologi intelligenti e altri gadget.

& quot;Molte persone hanno immaginato cosa sarebbe potuto succedere ma nessuno lo aveva effettivamente dimostrato prima," ha detto Chongmin Wang, uno scienziato del Dipartimento dell'Energia's Pacific Northwest National Laboratory. Wang è un corrispondente autore dell'articolo recentemente pubblicato suNanotecnologia della natura.

Di anodi di silicio, tazze di burro di arachidi e passeggeri delle compagnie aeree imballati

Gli ioni di litio sono la valuta energetica in una batteria agli ioni di litio, viaggiando avanti e indietro tra due elettrodi attraverso un liquido chiamato elettrolita. Quando gli ioni di litio entrano in un anodo di silicio, si fanno strada nella struttura ordinata, spingendo gli atomi di silicio di traverso, come un robusto passeggero di una linea aerea che si schiaccia sul sedile centrale di un volo pieno. Questo"spremere al litio" fa gonfiare l'anodo fino a tre o quattro volte la sua dimensione originale.

Quando gli ioni di litio se ne vanno, le cose non tornano alla normalità. Rimangono gli spazi vuoti noti come posti vacanti. Gli atomi di silicio spostati riempiono molti, ma non tutti, i posti vacanti, come i passeggeri che riprendono rapidamente lo spazio vuoto quando il passeggero centrale si dirige verso il bagno. Ma gli ioni di litio ritornano, facendosi strada di nuovo. Il processo si ripete mentre gli ioni di litio si muovono avanti e indietro tra l'anodo e il catodo e gli spazi vuoti nell'anodo di silicio si fondono per formare vuoti o spazi vuoti. Queste lacune si traducono in un guasto della batteria.

Gli scienziati sono a conoscenza del processo da anni, ma non avevano mai visto con precisione come si verificasse un guasto della batteria. Alcuni hanno attribuito il fallimento alla perdita di silicio e litio. Altri hanno accusato l'ispessimento di un componente chiave noto come interfase solido-elettrolita o SEI. Il SEI è una struttura delicata sul bordo dell'anodo che è un importante gateway tra l'anodo e l'elettrolita liquido.

Nei suoi esperimenti, il team ha osservato come i posti vacanti lasciati dagli ioni di litio nell'anodo di silicio si evolvessero in spazi sempre più grandi. Poi hanno osservato mentre l'elettrolita liquido scorreva negli spazi vuoti come piccoli rivoli lungo una costa, infiltrandosi nel silicio. Questo afflusso ha permesso al SEI di svilupparsi in aree all'interno del silicio dove non dovrebbe'essere, un invasore molecolare in una parte della batteria a cui'non appartiene.

Ciò ha creato zone morte, distruggendo la capacità del silicio di immagazzinare litio e rovinando l'anodo.

Pensa a una tazza di burro di arachidi in forma incontaminata: il cioccolato all'esterno è distinto dal morbido burro di arachidi all'interno. Ma se lo tieni in mano troppo a lungo con una presa troppo stretta, il guscio esterno si ammorbidisce e si mescola con il morbido cioccolato all'interno. Ti'rimani con un'unica massa disordinata la cui struttura è cambiata irreversibilmente. Non hai più una vera tazza di burro di arachidi. Allo stesso modo, dopo che l'elettrolita e il SEI si sono infiltrati nel silicio, gli scienziati non hanno più un anodo funzionante.

Il team ha assistito a questo processo iniziare immediatamente dopo un solo ciclo di batteria. Dopo 36 cicli, la capacità della batteria' di mantenere la carica era diminuita drasticamente. Dopo 100 cicli, l'anodo era rovinato.

Esplorando la promessa degli anodi di silicio

Gli scienziati stanno lavorando su come proteggere il silicio dall'elettrolita. Diversi gruppi, inclusi gli scienziati del PNNL, stanno sviluppando rivestimenti progettati per fungere da gatekeeper, consentendo agli ioni di litio di entrare e uscire dall'anodo bloccando altri componenti dell'elettrolita.

Scienziati di diverse istituzioni hanno unito le loro competenze per svolgere il lavoro. Gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno creato i nanofili di silicio utilizzati nello studio. Gli scienziati del PNNL hanno collaborato con le controparti di Thermo Fisher Scientific per modificare un microscopio elettronico a trasmissione criogenico per ridurre il danno degli elettroni utilizzati per l'imaging. E gli scienziati della Penn State University hanno sviluppato un algoritmo per simulare l'azione molecolare tra il liquido e il silicio.

Complessivamente, il team ha utilizzato gli elettroni per creare immagini ad altissima risoluzione del processo e quindi ha ricostruito le immagini in 3D, in modo simile a come i medici creano un'immagine 3D dell'arto o dell'organo di un paziente.

& quot;Questo lavoro offre una chiara tabella di marcia per lo sviluppo del silicio come anodo per una batteria ad alta capacità," disse Wang.

Al PNNL, il lavoro fa parte di un ampio programma di ricerca che esplora gli anodi di silicio, inclusi materiali originali come i rivestimenti, nuovi modi per realizzare i dispositivi e un nuovo elettrolita che aumenta la durata della batteria.

Oltre a Wang, altri autori del documento PNNL includono Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (anche un autore corrispondente) e Ji-Guang (Jason) Zhang.

Fonte della storia:

Materialifornito daDOE/Laboratorio nazionale nordoccidentale del Pacifico. Originale scritto da Tom Rickey.Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.