Anodi tas-silikonju Muskoli fit-Teknoloġija tal-Batterija

Is-silikon huwa l-element prinċipali tar-rivoluzzjoni diġitali, li jbiegħed tagħbijiet ta' sinjali fuq apparat li'x'aktarx hu biss ċentimetri minn għajnejk f'dan il-mument stess.

Issa, dak l-istess materjal abbundanti u rħis qed isir kandidat serju għal rwol kbir fin-negozju tal-batteriji li qed jiżdied. Huwa'huwa attraenti b'mod speċjali għaliex'hi kapaċi jżomm 10 darbiet aktar enerġija f'parti importanti ta 'batterija, l-anodu, minn grafita użata ħafna.

Imma mhux daqshekk malajr. Filwaqt li s-silikon għandu reputazzjoni li jintefħu fost ix-xjenzati, il-materjal innifsu jintefaħ meta'huwa parti minn batterija. Tant jintefaħ li l-anodu jitfarfar u jinqasam, u jikkawża li l-batterija titlef il-kapaċità tagħha li żżomm ħlas u fl-aħħar mill-aħħar tonqos.

Issa x-xjentisti raw il-proċess għall-ewwel darba, pass importanti biex is-silikon isir għażla vijabbli li tista 'ttejjeb l-ispiża, il-prestazzjoni u l-veloċità tal-iċċarġjar ta' batteriji għal vetturi elettriċi kif ukoll mowbajls, laptops, arloġġi intelliġenti u aġġeġġi oħra.

& quot;Ħafna nies immaġinaw x’jista’ jiġri imma ħadd ma kien fil-fatt wera qabel," qal Chongmin Wang, xjenzat fid-Dipartiment tal-Enerġija's Laboratorju Nazzjonali tal-Majjistral tal-Paċifiku. Wang huwa awtur korrispondenti tad-dokument ippubblikat reċentement fiNatura Nanoteknoloġija.

Ta 'anodi tas-silikon, tazzi tal-butir tal-karawett u passiġġieri tal-linja tal-ajru ppakkjati

Il-jonji tal-litju huma l-munita tal-enerġija f'batterija tal-jone tal-litju, li jivvjaġġaw 'il quddiem u lura bejn żewġ elettrodi permezz ta' likwidu msejjaħ elettrolit. Meta l-joni tal-litju jidħlu f'anodu magħmul minn silikon, huma muskolu triqthom fl-istruttura ordnata, u jimbuttaw l-atomi tas-silikon askew, bħal passiġġier ta 'linja ta' l-ajru stout li jagħfas fis-sedil tan-nofs fuq titjira ppakkjata. Dan"litju għafas" jagħmel l-anodu jintefħu għal tlieta jew erba 'darbiet id-daqs oriġinali tiegħu.

Meta l-jonji tal-litju jitilqu, l-affarijiet ma jirritornawx għan-normal. Spazji vojta magħrufa bħala postijiet vakanti jibqgħu. L-atomi tas-silikon spostati jimlew ħafna, iżda mhux kollha, mill-postijiet battala, bħall-passiġġieri malajr jieħdu lura l-ispazju vojt meta l-passiġġier tan-nofs imexxi lejn il-kamra tal-mistrieħ. Iżda l-jonji tal-litju jerġgħu lura, billi jerġgħu jimbuttaw triqthom. Il-proċess jirrepeti hekk kif il-jonji tal-litju jġorru 'l quddiem u lura bejn l-anodu u l-katodu, u l-ispazji vojta fl-anodu tas-silikon jingħaqdu biex jiffurmaw vojt jew vojt. Dawn il-lakuni jissarrfu f'falliment tal-batterija.

Ix-xjentisti ilhom jafu dwar il-proċess għal snin sħaħ, iżda ma kienux qabel ma raw preċiżament kif dan jirriżulta f'falliment tal-batterija. Xi wħud attribwew in-nuqqas għat-telf tas-silikon u l-litju. Oħrajn ħtijaw it-tħaxxin ta 'komponent ewlieni magħruf bħala l-interfażi tal-elettroliti solidi jew SEI. Is-SEI hija struttura delikata fit-tarf tal-anodu li hija portal importanti bejn l-anodu u l-elettrolit likwidu.

Fl-esperimenti tiegħu, it-tim raw kif il-postijiet battala li ħallew mill-joni tal-litju fl-anodu tas-silikon evolvew f'lakuni akbar u akbar. Imbagħad raw kif l-elettrolit likwidu nixxa fil-vojt bħal rivulets ċkejkna tul ix-xatt, jinfiltraw is-silikon. Dan l-influss ippermetta lis-SEI jiżviluppa f'żoni fi ħdan is-silikon fejn m'għandux'tkun, invażur molekulari f'parti tal-batterija fejn ma't jappartjeni.

Dak ħoloq żoni mejta, jeqirdu l-abbiltà tas-silikon li jaħżen il-litju u jħassru l-anodu.

Aħseb f'tazza tal-butir tal-karawett f'forma verġni: Iċ-ċikkulata ta 'barra hija distinta mill-butir tal-karawett artab ġewwa. Imma jekk iżżommha f'idejk għal żmien twil wisq b'qabda stretta wisq, il-qoxra ta 'barra tirtab u titħallat maċ-ċikkulata ratba ta' ġewwa. Inti'tħallejt b'massa waħda diżordinata li l-istruttura tagħha tinbidel b'mod irriversibbli. M'għadx għandek tazza vera tal-butir tal-karawett. Bl-istess mod, wara li l-elettrolit u s-SEI jinfiltraw is-silikon, ix-xjentisti m'għadx għandhom anodu li jaħdem.

It-tim rat dan il-proċess jibda immedjatament wara ċiklu wieħed biss tal-batterija. Wara 36 ċiklu, il-kapaċità tal-batterija'li żżomm ħlas kienet naqset b'mod drammatiku. Wara 100 ċiklu, l-anodu kien imħassar.

L-esplorazzjoni tal-wegħda ta 'anodi tas-silikon

Ix-xjentisti qed jaħdmu fuq modi kif jipproteġu s-silikon mill-elettrolit. Diversi gruppi, inklużi xjenzati fil-PNNL, qed jiżviluppaw kisjiet iddisinjati biex jaġixxu bħala gatekeepers, li jippermettu li l-joni tal-litju jidħlu u joħorġu mill-anodu filwaqt li jwaqqfu komponenti oħra tal-elettrolit.

Xjentisti minn diversi istituzzjonijiet ġabru l-għarfien espert tagħhom biex jagħmlu x-xogħol. Ix-xjentisti fil-Laboratorju Nazzjonali ta 'Los Alamos ħolqu n-nanowires tas-silikon użati fl-istudju. Ix-xjentisti tal-PNNL ħadmu flimkien mal-kontropartijiet f'Thermo Fisher Scientific biex jimmodifikaw mikroskopju elettroniku tat-trażmissjoni krijoġenika biex inaqqsu l-ħsara mill-elettroni użati għall-immaġini. U x-xjenzati ta 'Penn State University żviluppaw algoritmu biex jissimulaw l-azzjoni molekulari bejn il-likwidu u s-silikon.

B'kollox, it-tim uża l-elettroni biex jagħmel immaġini b'riżoluzzjoni ultra-għolja tal-proċess u mbagħad rikonoxxi l-immaġini fi 3D, simili għal kif it-tobba joħolqu immaġni 3D ta 'riġlejn jew organu ta' pazjent'.

& quot;Dan ix-xogħol joffri pjan direzzjonali ċar għall-iżvilupp tas-silikon bħala l-anodu għal batterija ta 'kapaċità għolja," qal Wang.

Fil-PNNL, ix-xogħol huwa parti minn programm ta 'riċerka wiesa' li jesplora anodi tas-silikon, inklużi materjali oriġinali bħal kisi, modi ġodda biex isiru l-apparati, u elettrolit ġdid li jżid il-ħajja tal-batterija.

Minbarra Wang, awturi oħra tal-PNNL tad-dokument jinkludu Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (wkoll awtur korrispondenti) u Ji-Guang (Jason) Zhang.

Sors tal-Istorja:

Materjaliipprovdut minnDOE/Laboratorju Nazzjonali tal-Majjistral tal-Paċifiku. Oriġinal miktub minn Tom Rickey.Nota: Il-kontenut jista' jiġi editjat għall-istil u t-tul.