Silicon Anodes Muscle On Battery Technologyssa

Pii on digitaalisen vallankumouksen peruselementti, joka ohjaa paljon signaaleja laitteeseen, joka'on todennäköisesti vain sentin päässä silmistäsi tällä hetkellä.

Nyt samasta runsaasta, halvasta materiaalista on tulossa vakava ehdokas suureen rooliin kasvavassa akkuliiketoiminnassa. Se' on erityisen houkutteleva, koska se' pystyy pitämään akun tärkeässä osassa, anodissa, 10 kertaa enemmän energiaa kuin yleisesti käytetty grafiitti.

Mutta ei niin nopeasti. Piin maine tiedemiesten keskuudessa on hyvä, mutta itse materiaali turpoaa, kun se' on osa akkua. Se turpoaa niin paljon, että anodi hilseilee ja halkeilee, jolloin akku menettää kykynsä pitää latausta ja lopulta epäonnistuu.

Nyt tutkijat ovat nähneet prosessin ensimmäistä kertaa, mikä on tärkeä askel kohti piin tekemistä toteuttamiskelpoiseksi valinnaksi, joka voi parantaa sähköajoneuvojen sekä matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden, älykellojen ja muiden laitteiden akkujen kustannuksia, suorituskykyä ja latausnopeutta.

& quot;Monet ihmiset ovat kuvitelleet mitä voisi tapahtua, mutta kukaan ei ollut tosiasiallisesti osoittanut sitä aiemmin," sanoi Chongmin Wang, energiaministeriön' Pacific Northwest National Laboratoryn tiedemies. Wang on äskettäin julkaistun paperin vastaava kirjoittajaLuonnon nanoteknologia.

Piianodeista, maapähkinävoimukuista ja pakattuista lentomatkustajista

Litiumionit ovat litiumioniakun energiavaluutta, joka kulkee edestakaisin kahden elektrodin välillä elektrolyytiksi kutsutun nesteen läpi. Kun litiumionit tunkeutuvat piistä valmistettuun anodiin, ne lihaksistavat tiensä järjestyksessä olevaan rakenteeseen työntäen piiatomeja vinoon, kuten jäykkä lentomatkustaja puristaa keskimmäiselle istuimelle täpötäytetyllä lennolla. Tämä"litium purista" saa anodin turpoamaan kolme tai neljä kertaa alkuperäiseen kokoonsa.

Kun litiumionit lähtevät, asiat eivät palaudu normaaliksi. Tyhjiä paikkoja tunnetaan avoimina. Siirtyneet piiatomit täyttävät monet, mutta eivät kaikki, avoimista paikoista, kuten matkustajat ottavat nopeasti takaisin tyhjän tilan, kun keskimmäinen matkustaja suuntaa wc-tilaan. Mutta litiumionit palaavat ja työntyvät takaisin sisään. Prosessi toistuu, kun litiumionit liikkuvat edestakaisin anodin ja katodin välillä, ja piianodin tyhjät tilat sulautuvat muodostaen onteloita tai rakoja. Nämä aukot johtavat akun vikaantumiseen.

Tiedemiehet ovat tienneet prosessista vuosia, mutta he eivät olleet ennen nähneet tarkasti, kuinka se johtaa akun vikaantumiseen. Jotkut ovat pitäneet epäonnistumista piin ja litiumin häviämisenä. Toiset ovat syyttäneet kiinteän elektrolyytin interfaasina tai SEI:nä tunnetun avainkomponentin paksuuntumista. SEI on herkkä rakenne anodin reunassa, joka on tärkeä yhdyskäytävä anodin ja nestemäisen elektrolyytin välillä.

Kokeissaan ryhmä seurasi, kuinka litiumionien jättämät tyhjät paikat piianodissa kehittyivät yhä suuremmiksi rakoiksi. Sitten he katselivat, kuinka nestemäinen elektrolyytti virtasi rakoihin pieninä puroina rantaviivaa pitkin tunkeutuen piin. Tämä sisäänvirtaus mahdollisti SEI:n kehittymisen piin sisällä, missä sen ei pitäisi olla' molekyylihyökkääjä akun osassa, johon se' ei kuulu.

Tämä loi kuolleita alueita, mikä tuhosi piin kyvyn varastoida litiumia ja tuhosi anodin.

Ajattele turmeltumattoman muotoista maapähkinävoimuppia: Suklaa ulkopuolelta eroaa pehmeästä maapähkinävoista. Mutta jos pidät sitä kädessäsi liian pitkään liian tiukassa otteessa, ulkokuori pehmenee ja sekoittuu sisällä olevan pehmeän suklaan kanssa. Sinulle'jäljet ​​yksi epäjärjestynyt massa, jonka rakenne on muuttunut peruuttamattomasti. Sinulla ei ole enää todellista maapähkinävoimuppia. Vastaavasti, kun elektrolyytti ja SEI ovat tunkeutuneet piin, tiedemiehillä ei ole enää toimivaa anodia.

Tiimi todisti tämän prosessin alkavan heti yhden akkujakson jälkeen. 36 jakson jälkeen akun' kyky pitää latausta oli laskenut dramaattisesti. 100 jakson jälkeen anodi oli pilalla.

Piianodien lupausten tutkiminen

Tutkijat etsivät tapoja suojella piitä elektrolyytiltä. Useat ryhmät, mukaan lukien PNNL:n tutkijat, kehittävät pinnoitteita, jotka on suunniteltu toimimaan portinvartijoina, jolloin litiumionit pääsevät sisään ja ulos anodista samalla, kun ne pysäyttävät elektrolyytin muut komponentit.

Useiden laitosten tutkijat yhdistivät asiantuntemuksensa tekemään työtä. Los Alamos National Laboratoryn tutkijat loivat tutkimuksessa käytetyt piinanolangat. PNNL-tutkijat työskentelivät yhdessä Thermo Fisher Scientificin kollegoiden kanssa muuttaakseen kryogeenistä transmissioelektronimikroskooppia kuvantamiseen käytettyjen elektronien aiheuttamien vaurioiden vähentämiseksi. Ja Penn State Universityn tutkijat kehittivät algoritmin nesteen ja piin välisen molekyylitoiminnan simuloimiseksi.

Kaiken kaikkiaan ryhmä käytti elektroneja prosessista ultrakorkearesoluutioisten kuvien luomiseen ja rekonstruoi sitten kuvat 3D-muodossa samalla tavalla kuin lääkärit luovat 3D-kuvan potilaan':n raajasta tai elimestä.

& quot;Tämä työ tarjoaa selkeän etenemissuunnitelman piin kehittämiseen suurikapasiteettisen akun anodina," sanoi Wang.

PNNL:llä työ on osa laajaa tutkimusohjelmaa, jossa tutkitaan piianodeja, mukaan lukien alkuperäiset materiaalit, kuten pinnoitteet, uudet tavat valmistaa laitteita ja uusi elektrolyytti, joka pidentää akun käyttöikää.

Wangin lisäksi muita paperin PNNL-tekijöitä ovat Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (myös vastaava kirjailija) ja Ji-Guang (Jason) Zhang.

Tarinan lähde:

MateriaalittoimittamatDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Alkuperäinen kirjoittaja Tom Rickey.Huomautus: Sisältöä voidaan muokata tyylin ja pituuden mukaan.