Een nieuwe studie zal onderzoekers helpen om duurzamere, lithium-oplaadbare batterijen met een hogere capaciteit, die veel worden gebruikt in consumentenelektronica. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , onderzoekers toonden aan hoe een coating die siliciumelektroden met een hoge capaciteit duurzamer maakt, zou kunnen leiden tot een vervanging voor grafietelektroden met een lagere capaciteit.

"Begrijpen hoe de coating werkt, geeft ons een indicatie van de richting die we moeten inslaan om de problemen met siliciumelektroden te overwinnen, " zei materiaalwetenschapper Chongmin Wang van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy.

Dankzij het hoge elektrische capaciteitspotentieel, silicium is tegenwoordig een van de populairste dingen in de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen. Het vervangen van de grafietelektrode in oplaadbare lithiumbatterijen door silicium kan de capaciteit vertienvoudigen, waardoor ze vele uren langer meegaan voordat ze geen sap meer hebben. Het probleem? Siliciumelektroden zijn niet erg duurzaam - na enkele tientallen oplaadbeurten, ze kunnen geen elektriciteit meer vasthouden.

Dat komt deels door de manier waarop silicium lithium opneemt, zoals een spons. Tijdens het opladen, lithium infiltreert de siliciumelektrode. Het lithium zorgt ervoor dat de siliciumelektrode tot drie keer zijn oorspronkelijke grootte opzwelt. Mogelijk als gevolg van de zwelling of om andere onbekende redenen, het silicium breekt en breekt af.

Onderzoekers hebben elektroden gebruikt die zijn samengesteld uit kleine siliciumbolletjes van ongeveer 150 nanometer breed - ongeveer duizend keer kleiner dan een mensenhaar - om enkele van de beperkingen van silicium als elektrode te overwinnen. Door het kleine formaat kan silicium snel en grondig worden opgeladen - een verbetering ten opzichte van eerdere siliciumelektroden - maar wordt het breukprobleem slechts gedeeltelijk verlicht.

Vorig jaar, materiaalwetenschapper Chunmei Ban en haar collega's van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, en de Universiteit van Colorado, Boulder ontdekte dat ze silicium nanodeeltjes konden bedekken met een rubberachtige coating gemaakt van aluminiumglycerol. De gecoate siliciumdeeltjes gingen minstens vijf keer langer mee - niet-gecoate deeltjes stierven na 30 cycli, maar de gecoate exemplaren waren na 150 cycli nog steeds opgeladen.

Onderzoekers wisten niet hoe deze coating de prestaties van de silicium nanodeeltjes verbeterde. De nanodeeltjes vormen van nature een harde schaal van siliciumoxide op hun oppervlak, net zoals roestvrij staal een beschermende laag chroomoxide op het oppervlak vormt. Niemand begreep of de oxidelaag interfereerde met de elektrodeprestaties, en als het zo is, hoe de rubberachtige coating het verbeterde.

Om beter te begrijpen hoe de coating werkte, Wang van PNNL en collega's, inclusief verbod, wendde zich tot expertise en een uniek instrument bij EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science User Facility bij PNNL.

Ban's groep - die de coating voor siliciumelektroden ontwikkelde, genaamd alucone, en is momenteel de enige groep die met alucone gecoate siliciumdeeltjes kan maken - nam hoge vergrotingsbeelden van de deeltjes in een elektronenmicroscoop. Maar het team van Wang heeft een microscoop die de deeltjes in actie kan zien. terwijl ze worden opgeladen en ontladen. Dus, Yang He van de Universiteit van Pittsburgh onderzocht de gecoate silicium nanodeeltjes in actie bij EMSL.

Het team ontdekte dat zonder de alucone coating, de oxideschil voorkomt dat silicium uitzet en beperkt de hoeveelheid lithium die het deeltje kan opnemen wanneer een batterij wordt opgeladen. Tegelijkertijd, ze ontdekten dat de alucone-coating de deeltjes verzacht, waardoor ze gemakkelijker kunnen uitzetten en krimpen met lithium.

En de microscopische beelden onthulden nog iets anders:het rubberachtige alucon vervangt het harde oxide. Hierdoor kan het silicium uitzetten en krimpen tijdens het laden en ontladen, breuk voorkomen.

"We waren verbaasd dat het oxide was verwijderd, " zei Wang. "Normaal gesproken is het moeilijk om een ​​oxide te verwijderen. Daarvoor moet je zuur gebruiken. Maar deze moleculaire afzettingsmethode die de deeltjes bedekt, veranderde de beschermende laag volledig."

In aanvulling, de deeltjes met de oxideschillen hebben de neiging om samen te smelten tijdens het opladen, door hun omvang te vergroten en te voorkomen dat lithium het silicium doordringt. De rubberachtige coating hield de deeltjes gescheiden, waardoor ze optimaal kunnen functioneren.

In de toekomst, de onderzoekers willen een eenvoudigere methode ontwikkelen om de silicium nanodeeltjes te coaten.