Разбирането на повредата на силиция отваря пътя за изследване на литиеви батерии с по-висок капацитет

В литиево-йонните батерии със силиконова жица електролитът отлепва силиция, което възпрепятства електронните пътища и значително намалява капацитета за зареждане на тези обещаващи устройства.

Новият документ (Прогресивното нарастване на твърдото вещество – електролитът в индустрията постави цели за батериите Siano de inter ocean) потвърждава, че този процес отваря нови изследователски пътища, като в крайна сметка използва огромния потенциал на силиция за пълно трансформиране на висококапацитетни и дълги батерии. - издръжливи батерии от мобилни телефони до автомобили.

Jinkyoung Yoo, учен от Националната лаборатория в Лос Аламос и съответният автор на статията, каза, че с това ново разбиране ние предлагаме да се разработи метод за покритие, който изолира силиция от електролита, за да се подобри работата на литиево-йонните батерии със силиконови нанопроводници. Yoo е производител на полупроводникови наноматериали в Интегрирания технологичен център (CINT), който е потребителско съоръжение на Министерството на енергетиката в Националните лаборатории в Лос Аламос и Сандия.

Снимка на силициеви нанопроводници, отгледани върху диск от неръждаема стомана (по часовниковата стрелка от горния ляв ъгъл) се показва в страничен, горен и макро изглед. Дискът е с размер около една четвърт. Новото изследване на NatureNanotech откри процеса на ограничаване на употребата на силиций в литиево-йонните батерии и идентифицира изследователски пътища за преодоляване на тези проблеми. Електрическият капацитет за съхранение на батерия със силициев анод е 10 пъти по-голям от този на батерия с типичен анод на основата на графит.

Това проучване е проведено от сътрудници от редица национални лаборатории и университети, интегрирайки томография на чувствителни елементи чрез нискотемпературна сканираща трансмисионна електронна микроскопия (усъвършенстван аналитичен алгоритъм) и разкривайки свързаната структура и химическата еволюция на силиция, както и взаимодействията между твърди електролити в 3D.

Yoo засади гора от силициеви нанопроводници върху диск от неръждаема стомана като анод за експерименти с батерии. Съоръжението CINT в Лос Аламос има уникална способност да отглежда този тип силициева тел директно върху анода.

Както индустриалните, така и националните лабораторни изследователи вярват, че силицийът е най-обещаващият отрицателен електроден материал с голям капацитет за практическото приложение на литиево-йонни батерии от следващо поколение. Батерията включва анод, който вкарва електрони, и катод, който извежда електроните, за да генерира ток.

Използвайки аноди на базата на графит и литиево-йонни батерии, обхватът на мобилните телефони и електрическите превозни средства надхвърля 400 мили. Разработването на следващото поколение с използване на силициеви аноди, за които е известно, че имат капацитет за съхранение 10 пъти по-голям от този на батериите с графитни аноди, е възпрепятствано от влошаване на капацитета след многократно зареждане.

След 100 цикъла на зареждане/разреждане използването на силициеви батерии може да управлява само 60% от първоначалния им капацитет за съхранение, което не е достатъчно добро за ежедневна технология.

Досега никой не знае точната причина.

В ранните приложения, когато силициевите сферични частици са били изложени на електролита и заредени, те са се разширявали с 300% и са повредили анода. Във всички видове батерии процесът на излагане на анода на електролита предизвиква реакция за образуване на SEI. SEI е от решаващо значение за стабилността на батерията, тъй като играе решаваща роля в електрохимичните реакции в батерията и контролира нейната стабилност.

Когато SEI се отдели от анода, точно както при силиция, електрическият контакт се прекъсва и капацитетът на батерията намалява.

„Мислехме, че нанопроводниците могат да решат проблема с разширяването на силиция в електролитите, защото единичен проводник може да бъде разтегнат, но не разбрахме какво се случи“, обясни Ю.

Yoo каза, че нови изследвания са установили, че електролитите могат да проникнат в целия силиций, образувайки SEI джобове и прекъсвайки електронните пътища. Този процес изключва изолираните силициеви острови в анода, които не могат да увеличат капацитета на батерията. Yoo каза, че следващата изследователска стъпка е да се покрият силициеви частици или нанопроводници, за да се поддържа целостта на силиция в присъствието на електролити.