Silicon cực dương tăng cơ trong công nghệ pin

By Tom Rickey, PNNL

Silicon là một phần quan trọng của cuộc cách mạng kỹ thuật số, chuyển tải vô số tín hiệu trên một thiết bị có thể chỉ cách mắt bạn vài inch vào thời điểm này.

Giờ đây, cũng chính loại vật liệu dồi dào, rẻ tiền đó đang trở thành một ứng cử viên nặng ký cho vai trò lớn trong ngành kinh doanh pin đang phát triển. Nó đặc biệt hấp dẫn vì nó có thể chứa năng lượng gấp 10 lần trong một phần quan trọng của pin, cực dương, so với than chì được sử dụng rộng rãi.

Nhưng không quá nhanh. Mặc dù silicon nổi tiếng trong giới khoa học, nhưng vật liệu này tự phồng lên khi nó là một phần của pin. Nó phồng lên nhiều đến mức cực dương bong ra và nứt, khiến pin mất khả năng giữ điện tích và cuối cùng là hỏng.

Giờ đây, các nhà khoa học đã lần đầu tiên chứng kiến ​​quá trình này, một bước quan trọng hướng tới việc biến silicon thành một lựa chọn khả thi có thể cải thiện chi phí, hiệu suất và tốc độ sạc pin cho xe điện cũng như điện thoại di động, máy tính xách tay, đồng hồ thông minh và các thiết bị khác.

Chongmin Wang, một nhà khoa học tại Bộ Năng lượng cho biết: “Nhiều người đã tưởng tượng những gì có thể xảy ra nhưng chưa ai thực sự chứng minh điều đó trước đây. Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương. Wang là một tác giả tương ứng của bài báo được xuất bản gần đây trên Công nghệ nano tự nhiên.

Của cực dương silicon, cốc bơ đậu phộng và hành khách máy bay chật cứng

Các ion lithium là đơn vị tiền tệ năng lượng trong pin lithium-ion, di chuyển qua lại giữa hai điện cực thông qua chất lỏng gọi là chất điện phân. Khi các ion lithium đi vào cực dương làm bằng silicon, chúng sẽ di chuyển vào cấu trúc có trật tự, đẩy các nguyên tử silicon lệch đi, giống như một hành khách máy bay mập mạp chen chúc vào ghế giữa trên một chuyến bay chật cứng. "Sức ép lithium" này làm cho cực dương phồng lên gấp ba hoặc bốn lần kích thước ban đầu của nó.

Khi các ion lithium rời đi, mọi thứ sẽ không trở lại bình thường. Không gian trống được gọi là vị trí tuyển dụng vẫn còn. Các nguyên tử silicon bị dịch chuyển lấp đầy nhiều chỗ trống, nhưng không phải tất cả, giống như hành khách nhanh chóng lấy lại chỗ trống khi hành khách ở giữa đi vào nhà vệ sinh. Nhưng các ion lithium quay trở lại, đẩy chúng vào một lần nữa. Quá trình lặp lại khi các ion lithium di chuyển qua lại giữa cực dương và cực âm, và các khoảng trống trong cực dương silicon hợp nhất để tạo thành khoảng trống hoặc khoảng trống. Những lỗ hổng này dẫn đến lỗi pin. Các nhà khoa học đã biết về quá trình này trong nhiều năm, nhưng trước đây họ chưa từng chứng kiến ​​chính xác nó dẫn đến lỗi pin như thế nào. Một số người cho rằng sự thất bại là do mất silicon và lithium. Những người khác đã đổ lỗi cho sự dày lên của một thành phần quan trọng được gọi là xen kẽ chất điện phân rắn hoặc SEI. SEI là một cấu trúc mỏng manh ở rìa của cực dương, là cửa ngõ quan trọng giữa cực dương và chất điện phân lỏng.

Trong các thí nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu đã theo dõi các khoảng trống do các ion lithium để lại trong cực dương silicon phát triển thành những khoảng trống ngày càng lớn hơn. Sau đó, họ quan sát khi chất điện phân lỏng chảy vào các khoảng trống giống như những dòng nước nhỏ dọc theo bờ biển, xâm nhập vào silicon. Dòng chảy vào này cho phép SEI phát triển ở những khu vực bên trong silicon mà nó không nên có, một kẻ xâm lược phân tử trong một phần của pin nơi nó không thuộc về.

Điều đó tạo ra các vùng chết, phá hủy khả năng lưu trữ lithium của silicon và làm hỏng cực dương.

Hãy nghĩ về một cốc bơ đậu phộng có hình dạng nguyên sơ: Lớp sô cô la bên ngoài khác biệt với lớp bơ đậu phộng mềm bên trong. Nhưng nếu bạn cầm nó trên tay quá lâu và nắm quá chặt, lớp vỏ bên ngoài sẽ mềm ra và trộn lẫn với lớp socola mềm bên trong. Bạn chỉ còn lại một khối hỗn loạn duy nhất có cấu trúc bị thay đổi không thể đảo ngược. Bạn không còn một cốc bơ đậu phộng đúng nghĩa nữa. Tương tự như vậy, sau khi chất điện phân và SEI thấm vào silicon, các nhà khoa học không còn cực dương khả thi nữa.

Nhóm đã chứng kiến ​​quá trình này bắt đầu ngay lập tức chỉ sau một chu kỳ pin. Sau 36 chu kỳ, khả năng giữ điện tích của pin đã giảm đáng kể. Sau 100 chu kỳ, cực dương bị hỏng.

Khám phá triển vọng của cực dương silicon

Các nhà khoa học đang nghiên cứu các cách để bảo vệ silicon khỏi chất điện phân. Một số nhóm, bao gồm cả các nhà khoa học tại PNNL, đang phát triển các lớp phủ được thiết kế để hoạt động như những người gác cổng, cho phép các ion lithium đi vào và ra khỏi cực dương trong khi ngăn chặn các thành phần khác của chất điện phân.

Các nhà khoa học từ một số tổ chức đã tập hợp chuyên môn của họ để thực hiện công việc. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã tạo ra các dây nano silicon được sử dụng trong nghiên cứu. Các nhà khoa học PNNL đã làm việc cùng với các đối tác tại Thermo Fisher Khoa học để sửa đổi kính hiển vi điện tử truyền dẫn đông lạnh nhằm giảm thiệt hại từ các điện tử được sử dụng để chụp ảnh. Và các nhà khoa học của Đại học Bang Penn đã phát triển một thuật toán để mô phỏng hoạt động phân tử giữa chất lỏng và silicon.

Nhìn chung, nhóm đã sử dụng các điện tử để tạo ra các hình ảnh có độ phân giải cực cao của quy trình và sau đó tái tạo lại các hình ảnh đó ở dạng 3D, tương tự như cách các bác sĩ tạo ra hình ảnh 3D của chi hoặc cơ quan của bệnh nhân.

Wang cho biết: “Công trình này đưa ra một lộ trình rõ ràng để phát triển silicon làm cực dương cho pin dung lượng cao.

Tại PNNL, công việc là một phần của chương trình nghiên cứu khám phá cực dương silicon, bao gồm các vật liệu ban đầu như lớp phủ, các cách mới để chế tạo thiết bị và chất điện phân mới giúp tăng tuổi thọ của pin.

Ngoài Wang, các tác giả PNNL khác của giấy bao gồm Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (cũng là một tác giả tương ứng) và Ji-Guang (Jason) Zhang.

Phần công việc của PNNL được tài trợ bởi Văn phòng Công nghệ Phương tiện thuộc Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo của DOE. Quỹ khoa học quốc gia cũng hỗ trợ nghiên cứu. Một số phần của công việc được thực hiện tại hai cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE: Trung tâm Công nghệ Nano Tích hợp tại LANL, nơi các nhà khoa học tạo ra các dây nano silicon được sử dụng trong nghiên cứu và Phòng thí nghiệm Khoa học Phân tử Môi trường tại PNNL, nơi các nhà nghiên cứu thực hiện kính hiển vi và ghi lại phân tử. tương tác.

Bài viết và hình ảnh được phép của Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

 

Đánh giá cao sự độc đáo của CleanTechnica? Xem xét trở thành một Thành viên, Người hỗ trợ, Kỹ thuật viên hoặc Đại sứ của CleanTechnica - hoặc một khách hàng quen trên Patreon.

 

 

---

quảng cáo

 

---

---

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