Το Silicon Anodes Muscle in on Battery Technology

By Τομ Ρίκι, PNNL

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, αυτό το ίδιο άφθονο, φθηνό υλικό γίνεται σοβαρός υποψήφιος για έναν μεγάλο ρόλο στην αναπτυσσόμενη επιχείρηση μπαταριών. Είναι ιδιαίτερα ελκυστικό επειδή είναι σε θέση 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 φουσκώματος 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 μια 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.

«Πολλοί άνθρωποι έχουν φανταστεί τι μπορεί να συνέβαινε, αλλά κανείς δεν το είχε αποδείξει πριν», δήλωσε ο Chongmin Wang, επιστήμονας στο Υπουργείο Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας. Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού. Ο Wang είναι ένας αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Φύση Νανοτεχνολογία.

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 από πυρίτιο, εισχωρούν στην τακτική δομή, σπρώχνοντας τα άτομα του πυριτίου λοξά, όπως ένας εύσωμος επιβάτης αεροπορικής εταιρείας που σφίγγει στο μεσαίο κάθισμα σε μια γεμάτη πτήση. Αυτή η «συμπίεση λιθίου» κάνει την άνοδο να διογκωθεί σε τρεις ή τέσσερις φορές το αρχικό της μέγεθος.

Όταν τα ιόντα λιθίου απομακρύνονται, τα πράγματα δεν επιστρέφουν στο φυσιολογικό. Παραμένουν κενοί χώροι γνωστοί ως κενές θέσεις. Τα εκτοπισμένα άτομα πυριτίου γεμίζουν πολλές, αλλά όχι όλες, από 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 μπρος-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 αποτυχία 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 αναμιγνύεται με την μαλακή σοκολάτα μέσα. Έχετε μείνει με μια ενιαία άτακτη 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 εξέρχονται από την άνοδο, ενώ σταματούν άλλα συστατικά του ηλεκτρολύτη.

Επιστήμονες από διάφορα ιδρύματα συγκέντρωσαν την τεχνογνωσία 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 το πώς οι γιατροί δημιουργούν μια τρισδιάστατη εικόνα του άκρου ή του οργάνου ενός ασθενούς.

"Αυτή η εργασία προσφέρει έναν σαφή οδικό χάρτη για την ανάπτυξη πυριτίου ως ανόδου για μια μπαταρία υψηλής χωρητικότητας", δήλωσε ο Wang.

Στο PNNL, η εργασία είναι μέρος μιας ευρείας ερευνητικό πρόγραμμα εξερεύνησης ανοδίων πυριτίου, συμπεριλαμβανομένων των αυθεντικών υλικών όπως επικαλύψεων, νέων τρόπων κατασκευής των συσκευών και ενός νέου ηλεκτρολύτη που αυξάνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

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

Το μέρος της εργασίας του PNNL χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Τεχνολογιών Οχημάτων του Γραφείου Ενεργειακής Απόδοσης και Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του DOE. Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών υποστήριξε επίσης την έρευνα. Μέρη της εργασίας έγιναν σε δύο εγκαταστάσεις χρηστών του DOE Office of Science: το Κέντρο Ολοκληρωμένων Νανοτεχνολογιών στο LANL, όπου οι επιστήμονες δημιούργησαν νανοσύρματα πυριτίου που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη και το Εργαστήριο Μοριακών Επιστημών Περιβάλλοντος στο PNNL, όπου οι ερευνητές πραγματοποίησαν μικροσκοπία και κατέγραψαν το μοριακό αλληλεπιδράσεις.

Το άρθρο και οι εικόνες είναι ευγενική προσφορά Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού

 

Εκτιμάτε την πρωτοτυπία της CleanTechnica; Σκεφτείτε να γίνετε Μέλος, υποστηρικτής, τεχνικός ή πρέσβης της CleanTechnica - ή ένας προστάτης Πατρέων.

 

 

---

Διαφήμιση

 

---

---

Πηγή: https://cleantechnica.com/2021/10/16/silicon-anodes-muscle-in-on-battery-technology/