Кремний – это основной продукт цифровой революции, шунтирующий множество сигналов на устройство, которое, вероятно, в данный момент находится всего в нескольких дюймах от ваших глаз.

Теперь тот же самый дешевый материал в изобилии становится серьезным кандидатом на большую роль в растущем бизнесе по производству аккумуляторов. Он особенно привлекателен, потому что он способен удерживать в 10 раз больше энергии в важной части батареи, аноде, чем широко используемый графит.

Но не так быстро. Хотя кремний имеет отличную репутацию среди ученых, сам материал набухает, когда он входит в состав батареи. Он набухает настолько, что анод отслаивается и трескается, в результате чего батарея теряет способность удерживать заряд и в конечном итоге выходит из строя.

Теперь ученые впервые стали свидетелями этого процесса, что является важным шагом на пути к тому, чтобы сделать кремний жизнеспособным выбором, который может повысить стоимость, производительность и скорость зарядки аккумуляторов для электромобилей, а также сотовых телефонов, ноутбуков, умных часов и других устройств. гаджеты.

«Многие люди представляли себе, что может происходить, но никто не демонстрировал этого раньше», – сказал Чонгмин Ван, ученый из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики. Ван – автор статьи, недавно опубликованной в Nature Nanotechnology.

Из кремниевых анодов, стаканчиков с арахисовым маслом и упакованных пассажиров авиакомпаний

Ионы лития – это валюта энергии в литий-ионной батарее, перемещаясь вперед и назад между двумя электродами через жидкость, называемую электролитом. Когда ионы лития входят в анод, сделанный из кремния, они протискиваются в упорядоченную структуру, толкая атомы кремния вбок, как толстый пассажир авиалайнера, втискивающийся в среднее сиденье в загруженном рейсе. Из-за этого "литиевого сжатия" анод разбухает в три или четыре раза по сравнению с первоначальным размером.

Когда ионы лития уходят, все не возвращается на круги своя. Остаются пустые места, известные как вакансии. Смещенные атомы кремния заполняют многие, но не все, вакансии, как будто пассажиры быстро возвращают пустое место, когда средний пассажир направляется в туалет. Но ионы лития возвращаются, снова проталкиваясь внутрь. Процесс повторяется, когда ионы лития перемещаются туда-сюда между анодом и катодом, а пустые пространства в кремниевом аноде сливаются, образуя пустоты или зазоры. Эти промежутки приводят к выходу из строя батареи.

Ученые знали об этом процессе в течение многих лет, но раньше они не видели, как именно он приводит к выходу из строя батареи. Некоторые связывают отказ с потерей кремния и лития. Другие обвиняют в утолщении ключевого компонента, известного как межфазная фаза твердого электролита или SEI. SEI – это тонкая структура на краю анода, которая является важным проходом между анодом и жидким электролитом.

В своих экспериментах команда наблюдала, как вакансии, оставленные ионами лития в кремниевом аноде, превращаются в все большие и большие зазоры. Затем они наблюдали, как жидкий электролит втекает в щели, как крошечные ручейки вдоль береговой линии, проникая в кремний. Этот приток позволил SEI развиться в областях внутри кремния, где он не должен быть, молекулярным захватчиком в той части батареи, которой он не принадлежит.

Это создает мертвые зоны, нарушая способность кремния накапливать литий и разрушая анод.

Представьте себе чашку с арахисовым маслом в первозданной форме: шоколад снаружи отличается от мягкого арахисового масла внутри. Но если вы держите его в руке слишком долго и слишком крепко, внешняя оболочка размягчается и смешивается с мягким шоколадом внутри. Остается одна неупорядоченная масса, структура которой необратимо изменяется. У вас больше нет настоящей чашки с арахисовым маслом. Точно так же после того, как электролит и SEI проникают в кремний, у ученых больше нет работоспособного анода.

Команда стала свидетелем того, как этот процесс начался сразу после одного цикла работы от батарей. После 36 циклов способность батареи удерживать заряд резко упала. После 100 циклов анод вышел из строя.

Исследование перспектив кремниевых анодов

Ученые работают над способами защиты кремния от электролита. Несколько групп, в том числе ученые из PNNL, разрабатывают покрытия, призванные действовать как привратники, позволяя ионам лития входить и выходить из анода, останавливая при этом другие компоненты электролита.

Ученые из нескольких институтов объединили свои знания для выполнения работы. Ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса создали кремниевые нанопроволоки, которые использовались в исследовании. Ученые PNNL работали вместе с коллегами из Thermo Fisher Scientific над модификацией криогенного просвечивающего электронного микроскопа, чтобы уменьшить ущерб от электронов, используемых для визуализации. А ученые Университета Пенсильвании разработали алгоритм для моделирования молекулярного взаимодействия между жидкостью и кремнием.

В целом, команда использовала электроны для создания изображений процесса со сверхвысоким разрешением, а затем реконструировала изображения в 3D, подобно тому, как врачи создают трехмерное изображение конечности или органа пациента.

«Эта работа предлагает четкую дорожную карту для разработки кремния в качестве анода для батареи большой емкости», – сказал Ван

.

В PNNL эта работа является частью широкой исследовательской программы по изучению кремниевых анодов, включая оригинальные материалы, такие как покрытия, новые способы изготовления устройств и новый электролит, увеличивающий срок службы батарей.

В дополнение к Вану, другие авторы статьи из PNNL включают Ян Хэ, Яобинь Сю, Хайпин Цзя, Ран И, Мяо Сун, Сяолинь Ли (также автор-корреспондент) и Цзи-Гуан (Джейсон) Чжан.

Часть работы PNNL финансировалась Управлением транспортных технологий Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США. Национальный научный фонд также поддержал исследование. Части работы выполнялись в двух пользовательских объектах Управления науки Министерства энергетики США: в Центре интегрированных нанотехнологий в LANL, где ученые создали кремниевые нанопровода, использованные в исследовании, и в Лаборатории молекулярных наук в окружающей среде в PNNL, где исследователи проводили микроскопию и регистрировали молекулярную взаимодействия.

Источник: https://www.pnnl.gov/[19459007visible