Een nieuwe methode om de structurele en chemische evolutie van silicium te karakteriseren en een dunne laag die de stabiliteit van de batterij bepaalt, kan helpen bij het oplossen van problemen die het gebruik van silicium voor batterijen met een hoge capaciteit verhinderen. aldus een groep onderzoekers.

Het onderzoek richt zich op het grensvlak van de anode, een negatieve elektrode, en de elektrolyt, waardoor de lading tussen de anode en de andere elektrode kan bewegen, de kathode. Een vaste-elektrolyt interfase (SEI) laag vormt zich gewoonlijk op het oppervlak van een elektrode tussen de vaste elektrode en de vloeibare elektrolyt en is van vitaal belang voor de elektrochemische reactie in batterijen, samen met het regelen van de stabiliteit van de batterij. Het gebruik van silicium als anode zou een betere oplaadbare batterij mogelijk maken.

"In de afgelopen 10 jaar silicium heeft veel aandacht getrokken als negatieve elektrode met hoge capaciteit voor oplaadbare batterijen, " zei Sulin Zhang, hoogleraar ingenieurswetenschappen en mechanica en bio-ingenieurswetenschappen. "Huidige gecommercialiseerde batterijen gebruiken grafiet als anodemateriaal, maar de capaciteit van silicium is ongeveer 10 keer die van grafiet. Er zijn tientallen miljoenen, honderden miljoenen zelfs, van dollars geïnvesteerd in onderzoek naar siliciumbatterijen vanwege dit."

Dit is goed nieuws voor een samenleving die haar infrastructuur wil elektrificeren met elektrische voertuigen en krachtige draagbare elektronica. echter, er is een uitdaging. Tijdens het opladen en ontladen van de batterij, het volume van silicium zet uit en krimpt, wat leidt tot het barsten van het siliciummateriaal, en de SEI zal steeds weer afbrokkelen en regenereren. Dit leidt tot verlies van elektrisch contact en verslechtering van de capaciteit, de hoeveelheid lading die door de batterij is opgeslagen.

Inzicht in hoe dit proces zich zowel structureel als chemisch ontvouwt, is van vitaal belang voor het oplossen van het probleem.

"Omdat de stabiliteit van deze laag de stabiliteit van de batterij bepaalt, je wilt niet dat dit ongecontroleerd groeit omdat de vorming van deze laag zowel elektrolytmateriaal als actief lithium verbruikt, "Zei Zhang. "En dit kan leiden tot het opdrogen van elektrolyten en verlies van actieve materialen, dus je hebt een negatief effect op de batterijprestaties."

De grote uitdaging die Zhang en zijn team aangingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , kon observeren, karakteriseren en begrijpen van dit proces.

"De SEI-laag is zo cruciaal voor de batterij, " zei Zhang. "Maar het is erg dun, onzichtbaar door optische microscopen en evolueert dynamisch tijdens de batterijcyclus. Het zou toegankelijk kunnen zijn voor een transmissie-elektronenmicroscoop die op zeer nanoschaal kan worden gebruikt, zeer dunne materialen. Maar voor een SEI, deze laag is vrij zacht en wordt gemakkelijk vernietigd op de elektronenstralen omdat je veel elektronen moet sturen om een ​​beeld met hoge resolutie van de materiële componenten te krijgen."

Om dit te overwinnen, de onderzoekers gebruikten cryogene scanning transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-STEM). Ze hielden de gecycleerde elektrodematerialen bij cryogene temperaturen tijdens voorbereiding en beeldvorming met een cryo-STEM-microscoop om monsterbeschadiging door de elektronenstraal te minimaliseren. In aanvulling, ze integreerden gevoelige elementaire tomografie voor 3D-beeldvorming, en een geavanceerd algoritme dat is ontworpen om beelden vast te leggen met een lagere elektronendosis. Deze techniek maakte een 3D-weergave van de SEI-siliciuminteractie mogelijk, genomen na verschillende aantallen batterijcycli.

"Het unieke aspect van onze methode is de cryo-STEM-beeldvorming en meervoudige fysieke procesmodellering, " zei Zhang. "We kunnen de evolutie van het silicium en SEI visualiseren na het cyclisch draaien van de batterij; parallel kunnen we het hele microstructurele evolutieproces tijdens het fietsen recapituleren met behulp van computationele simulaties. Dat is het nieuwe van dit onderzoek."

Het werk van het team heeft geleid tot een beter begrip van de mechanismen die de groei en instabiliteit van de SEI-laag in een siliciumanode veroorzaken.

"Dus, met het begrip van het groeimechanisme van de SEI-laag, dat zal ons veel inzicht geven over hoe we de prestaties van de siliciumanode of het batterijontwerp kunnen verbeteren, "Zei Zhang. "Dan kunnen we een robuustere siliciumanode maken voor de volgende generatie lithiumbatterijen."

Deze volgende generatie lithiumbatterijen zou meerdere voordelen bieden voor zowel de industrie als de gemiddelde consument, hij legde uit.

"Silicium is een zeer overvloedige en als we silicium als anode met een lange levensduur kunnen gebruiken, we zullen de capaciteit van een oplaadbare batterij drastisch verhogen, "Zhang zei. "En, omdat silicium overvloedig is, dat zal de prijs van batterijen doen dalen."

Gewapend met het kritische begrip van de evolutie van de SEI-laag tijdens het opladen en ontladen in een batterij met een siliciumanode, Zhang zei dat de volgende stap het gebruik van die kennis zal zijn om een ​​siliciumanodebatterij te ontwerpen die geen capaciteit verliest tijdens het fietsen.

"Met het begrip van het onderliggende mechanisme, de volgende stap is het produceren van een wetenschappelijke hypothese, "Zei Zhang. "En dan gaan we deze hypothese testen met siliciumanoden, zodat we het nadelige effect van de volumeverandering van silicium kunnen verzachten. Door het momenteel oncontroleerbare te beheersen, we kunnen een siliciumelektrode ontwerpen met betere prestaties."

Samen met Zhang, Penn State-onderzoekers die bij het onderzoek betrokken zijn, zijn onder meer Tianwu Chen en Dingchuan Xue, afgestudeerde studenten in de ingenieurswetenschappen en mechanica. Andere onderzoekers zijn onder meer, van het Pacific Northwest National Laboratory, Yang Hij, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao-lied, Xiaolin Li en Ji-Guang Zhang; van Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cedric Bouchet-Marquis, Lee Pullan en Ted Tessner; en van het Los Alamos National Laboratory, Jinkyoung Yo.

Het ministerie van Energie en de National Science Foundation hebben dit onderzoek gefinancierd.