(Phys.org) — Het oplossen van het mysterie van wat er in batterijen gebeurt wanneer silicium in contact komt met lithium zou de commercialisering van batterijen van de volgende generatie met hoge capaciteit kunnen versnellen. voor gebruik in mobiele telefoons en andere toepassingen.

Batterijen van de volgende generatie op basis van silicium zijn een stap dichter bij de commerciële realiteit gekomen, nadat het mysterie rond wat er in batterijen gebeurt wanneer silicium in contact komt met lithium tot in ongekend detail is begrepen. Op silicium gebaseerde technologie zou de capaciteit van de batterijen in mobiele telefoons aanzienlijk vergroten, elektrische voertuigen en andere toepassingen.

Met behulp van een combinatie van nanotechnologie en nucleaire magnetische resonantie (NMR) technieken, onderzoekers hebben een nieuw sondeersysteem ontwikkeld dat inzicht geeft in wat er op atomair niveau in de batterijen gebeurt, waardoor meer controle over de eigenschappen van de materialen mogelijk is.

Silicium is de afgelopen 20 jaar voorgesteld als vervanging voor koolstof in batterijanoden (negatieve elektroden), omdat het ongeveer tien keer meer opslagcapaciteit heeft dan koolstof. Echter, problemen met het beheer van de eigenschappen van silicium hebben verhinderd dat de technologie op grote schaal kan worden toegepast.

Het belangrijkste probleem bij het gebruik van silicium in een lithium-ionbatterij is dat siliciumatomen lithiumatomen absorberen, en het silicium zet tot drie keer in volume uit, verslechtering van de batterij. Hoewel het beheersen van deze uitbreiding de afgelopen tien jaar gemakkelijker is geworden, een gebrek aan begrip over wat er in de batterijen gebeurt en wat de reacties regelt, blijven siliciumbatterijen tegenhouden.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een nieuwe methode ontwikkeld om siliciumbatterijen te onderzoeken en hebben vastgesteld waardoor de expansie plaatsvindt. De resultaten worden gerapporteerd in de 3 februari-editie van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"De meest fundamentele uitdaging voor het leveren van dergelijke batterijen met een hoge capaciteit is om de reacties die erin plaatsvinden te begrijpen, " zei hoofdauteur dr. Ken Ogata van het Department of Engineering.

Met behulp van nanoschaaldraden gemaakt van silicium en NMR-technieken, de onderzoekers ontwikkelden een robuust modelsysteem dat de uitzetting van het silicium over meerdere cycli kan opvangen, en integreerde het met sondeertechnieken op korte afstand die onthullen wat er op atomair niveau in de batterij gebeurt. Het team ontdekte dat de reacties verlopen met interacties van verschillende groottes van siliciumnetwerken en clusters, Energetica waarvan gedeeltelijk het pad van de reactie bepalen.

Met behulp van deze gecombineerde technieken, de onderzoekers konden een 'kaart' ontwikkelen van hoe silicium transformeert wanneer het in contact wordt gebracht met lithium in een batterij. De inzichten die de technologie biedt, zullen de verdere ontwikkeling van siliciumbatterijen stimuleren, omdat het voor ingenieurs gemakkelijker zal zijn om hun eigendommen te controleren.

"Het gebruik van deze techniek zal helpen om het batterijontwerp veel systematischer te maken, en minder vallen en opstaan, " zei Dr. Ogata. "De op nanodraad gebaseerde batterijen in combinatie met het NMR-systeem stelden ons in staat om de reactiekinetiek over meerdere cycli te volgen met verschillende fietsstrategieën. belangrijk, de inzichten die de nieuwe technologie oplevert, zijn relevant voor de huidige state-of-the-art silicium-koolstof composietanoden en zullen leiden tot verdere ontwikkeling van de anoden."

Deze veelzijdige op nanodraad gebaseerde technologie kan worden toegepast op andere batterijsystemen, zoals lithium-ionbatterijen op basis van tin en germanium en natriumionbatterijen, en er zijn momenteel studies gaande met de NMR-spectroscopie onder een breed scala aan elektrochemische regimes.