Silicium is een hoofdbestanddeel van de digitale revolutie, het rangeren van massa's signalen op een apparaat dat zich op dit moment waarschijnlijk slechts enkele centimeters van je ogen bevindt.

Nutsvoorzieningen, diezelfde overvloedig, goedkoop materiaal wordt een serieuze kandidaat voor een grote rol in de snelgroeiende batterijbusiness. Het is vooral aantrekkelijk omdat het in staat is om 10 keer zoveel energie vast te houden in een belangrijk onderdeel van een batterij, de anode, dan veelgebruikt grafiet.

Maar niet zo snel. Terwijl silicium een ​​uitstekende reputatie heeft onder wetenschappers, het materiaal zelf zwelt op als het deel uitmaakt van een batterij. Het zwelt zo erg dat de anode schilfert en barst, waardoor de batterij zijn vermogen verliest om een ​​lading vast te houden en uiteindelijk uitvalt.

Nu zijn wetenschappers voor het eerst getuige geweest van het proces, een belangrijke stap in de richting van het maken van silicium een ​​haalbare keuze die de kosten zou kunnen verbeteren, prestaties en laadsnelheid van batterijen voor elektrische voertuigen en mobiele telefoons, laptops, slimme horloges en andere gadgets.

"Veel mensen hebben zich voorgesteld wat er zou kunnen gebeuren, maar niemand had het eerder aangetoond, " zei Chongmin Wang, een wetenschapper bij het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy. Wang is een corresponderende auteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in: Natuur Nanotechnologie.

Van siliciumanoden, pindakaasbekers en ingepakte vliegtuigpassagiers

Lithium-ionen zijn de energievaluta in een lithium-ionbatterij, heen en weer reizen tussen twee elektroden door vloeistof die elektrolyt wordt genoemd. Wanneer lithiumionen een anode van silicium binnenkomen, ze dringen zich een weg in de geordende structuur, de siliciumatomen scheef duwen, als een stevige vliegtuigpassagier die zich op een volle vlucht op de middelste stoel wringt. Deze "lithium-squeeze" doet de anode opzwellen tot drie of vier keer zijn oorspronkelijke grootte.

Wanneer de lithiumionen vertrekken, dingen worden niet meer normaal. Er blijven lege plekken over, ook wel vacatures genoemd. Verplaatste siliciumatomen vullen veel, maar niet alles, van de vacatures, zoals passagiers die snel de lege ruimte terugnemen wanneer de middelste passagier naar het toilet gaat. Maar de lithiumionen keren terug, zich weer een weg naar binnen duwen. Het proces herhaalt zich terwijl de lithiumionen heen en weer schieten tussen de anode en kathode, en de lege ruimtes in de siliciumanode smelten samen om holtes of gaten te vormen. Deze hiaten vertalen zich in een batterijstoring.

Wetenschappers weten al jaren over het proces, maar ze hadden niet eerder gezien hoe het precies leidt tot een batterijstoring. Sommigen hebben het falen toegeschreven aan het verlies van silicium en lithium. Anderen geven de schuld aan de verdikking van een belangrijk onderdeel dat bekend staat als de vaste-elektrolyt-interfase of SEI. De SEI is een delicate structuur aan de rand van de anode die een belangrijke poort is tussen de anode en de vloeibare elektrolyt.

In zijn experimenten, het team keek toe hoe de lege plekken van lithiumionen in de siliciumanode evolueerden naar steeds grotere gaten. Toen keken ze toe hoe de vloeibare elektrolyt in de gaten stroomde als kleine stroompjes langs een kustlijn, infiltreren in het silicium. Door deze instroom kon de SEI zich ontwikkelen in gebieden in het silicium waar het niet zou moeten zijn, een moleculaire indringer in een deel van de batterij waar hij niet thuishoort.

Dat creëerde dode zones, het vermogen van het silicium om lithium op te slaan vernietigen en de anode verpesten.

Denk aan een pindakaasbeker in onberispelijke vorm:de chocolade aan de buitenkant is anders dan de zachte pindakaas aan de binnenkant. Maar als je het te lang in je hand houdt met een te strakke greep, de buitenste schil wordt zachter en vermengt zich met de zachte chocolade van binnen. Je blijft zitten met een enkele ongeordende massa waarvan de structuur onomkeerbaar is veranderd. Je hebt geen echte pindakaasbeker meer. Hetzelfde, nadat de elektrolyt en de SEI het silicium infiltreren, wetenschappers hebben geen werkbare anode meer.

Het team was er getuige van dat dit proces onmiddellijk na slechts één batterijcyclus begon. Na 36 cycli, het vermogen van de batterij om een ​​lading vast te houden was dramatisch gedaald. Na 100 cycli, de anode was kapot.

Onderzoek naar de belofte van siliciumanoden

Wetenschappers werken aan manieren om het silicium te beschermen tegen de elektrolyt. meerdere groepen, waaronder wetenschappers van PNNL, ontwikkelen coatings die zijn ontworpen om als poortwachters te fungeren, waardoor lithiumionen in en uit de anode kunnen gaan terwijl andere componenten van de elektrolyt worden gestopt.

Wetenschappers van verschillende instellingen hebben hun expertise gebundeld om het werk te doen. Wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory hebben de silicium nanodraden gemaakt die in het onderzoek zijn gebruikt. Wetenschappers van PNNL werkten samen met collega's bij Thermo Fisher Scientific om een ​​cryogene transmissie-elektronenmicroscoop te modificeren om de schade door de elektronen die voor beeldvorming worden gebruikt te verminderen. En wetenschappers van de Penn State University ontwikkelden een algoritme om de moleculaire actie tussen de vloeistof en het silicium te simuleren.

Allemaal samen, het team gebruikte elektronen om beelden met ultrahoge resolutie van het proces te maken en reconstrueerde de beelden vervolgens in 3D, vergelijkbaar met hoe artsen een 3D-beeld maken van een ledemaat of orgaan van een patiënt.

"Dit werk biedt een duidelijke routekaart voor de ontwikkeling van silicium als anode voor een batterij met hoge capaciteit, " zei Wang.