Nieuw onderzoek onder leiding van een elektrotechnisch ingenieur aan de Universiteit van Californië, San Diego is gericht op het verbeteren van lithium (Li)-ionbatterijen door middel van mogelijke nieuwe elektrode-architecturen met nauwkeurige ontwerpen op nanoschaal. De onderzoekers hebben nanodraden gepresenteerd die de diffusie van lithium over het siliciumoppervlak van de draad blokkeren en laag-voor-laag axiale lithiëring van de germaniumkern van de nanodraad bevorderen.

Shadi Dayeh, een professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, legde uit dat dit werk zou kunnen leiden tot "een effectieve manier om de volume-uitbreiding van lithium-ionbatterij-elektroden op maat te maken, waardoor het barsten ervan zou kunnen worden geminimaliseerd, hun duurzaamheid verbeteren, en misschien beïnvloeden hoe men zou kunnen denken over verschillende elektrode-architecturen."

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters in de paper "Tailoring Lithiation Behavior by Interface and Bandgap Engineering op nanoschaal."

Door germanium nanodraden te coaten met silicium, de onderzoekers stopten bijna alle oppervlaktediffusie van lithiumionen in de nanodraden. In plaats daarvan, lithium diffusie, bekend als lithiatie, kwam laag voor laag langs de as van de nanodraad voor in tegenstelling tot die van het oppervlak van de nanodraad dat niet bedekt was met silicium.

"Deze resultaten tonen voor het eerst aan dat interface- en bandgap-engineering van elektrochemische reacties kan worden gebruikt om de ionische transport- / invoegpaden op nanoschaal te regelen en dus een nieuw hulpmiddel kunnen zijn om de elektrochemische reacties in Li-ionbatterijen te definiëren, ' schrijven de onderzoekers in hun Nano Letters-paper.

Bekijk een video die de axiale lithiëring van de germaniumkern van een met silicium gecoate nanodraad laat zien, evenals radiale diffusie van lithium in een ongecoate germanium nanodraad. De video is afkomstig van Dayeh's Integrated Electronics and Bio-interfaces Lab aan de UC San Diego en medewerkers van Sandia National Laboratories.

Luister naar een audiogesprek met Shadi Dayeh op SoundCloud.

Dit werk bouwt voort op onderzoek dat een uitstekende controle aantoont over germanium / silicium (Ge/Si) heterostructurering, die Dayeh en collega's onlangs als omslagartikel publiceerden in Technische Natuurkunde Brieven en een begeleidende brief in het journaal Nano-letters .

Dayeh kweekte de nanodraden tijdens zijn tijd als postdoctoraal onderzoeker bij Los Alamos National Laboratory (LANL). Lithiatie-experimenten werden uitgevoerd door twee postdoctorale onderzoekers van Sandia National Laboratories, Drs. Yang Liu en Xiaohua Liu, en de postdoctorale onderzoekers van Dayeh die bij LANL werken. Dayeh formuleerde het mechanisme en voerde de analyse en simulaties uit nadat hij bij de faculteit van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering was gaan werken.

Financieringsbronnen voor dit onderzoek zijn onder meer Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), een Energy Frontier Research Center (EFRC) gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Los Alamos Nationaal Laboratorium, Sandia Nationale Laboratoria, en UC San Diego.