درک خرابی سیلیکون راه را برای تحقیق در مورد باتری های لیتیومی با ظرفیت بالاتر باز می کند

در باتری‌های لیتیوم یون سیمی سیلیکونی، الکترولیت سیلیکون را جدا می‌کند که مانع از مسیرهای الکترونیکی می‌شود و ظرفیت شارژ این دستگاه‌های امیدوارکننده را بسیار کاهش می‌دهد.

مقاله جدید (رشد پیشرونده جامد - الکترولیت در صنعت اهدافی را برای باتری های بین اقیانوسی Siano de تعیین کرده است) تأیید می کند که این فرآیند راه های تحقیقاتی جدیدی را باز می کند و در نهایت از پتانسیل عظیم سیلیکون برای تبدیل کامل باتری های پرظرفیت و طولانی استفاده می کند. باتری های بادوام از تلفن همراه تا اتومبیل

جینکیونگ یو، دانشمند آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و نویسنده مقاله، گفت که با این درک جدید، ما پیشنهاد می‌کنیم یک روش پوششی ایجاد کنیم که سیلیکون را از الکترولیت جدا می‌کند تا عملکرد باتری‌های لیتیوم یون نانوسیم سیلیکونی را بهبود بخشد. یو یک تولید کننده نانومواد نیمه هادی در مرکز فناوری یکپارچه (CINT) است که یکی از امکانات کاربری وزارت انرژی در آزمایشگاه های ملی لوس آلاموس و ساندیا است.

عکسی از نانوسیم های سیلیکونی که روی یک دیسک فولادی ضد زنگ رشد کرده اند (در جهت عقربه های ساعت از گوشه سمت چپ بالا) در نمای جانبی، بالا و ماکرو نمایش داده می شود. اندازه دیسک تقریبا یک چهارم است. تحقیقات جدید NatureNanotech فرآیند محدود کردن استفاده از سیلیکون در باتری‌های لیتیوم یونی را کشف کرده و راه‌های تحقیقاتی را برای غلبه بر این مشکلات شناسایی کرده است. ظرفیت ذخیره سازی الکتریکی یک باتری با آند سیلیکونی 10 برابر باتری با یک آند معمولی مبتنی بر گرافیت است.

این مطالعه توسط همکارانی از مجموعه‌ای از آزمایشگاه‌ها و دانشگاه‌های ملی انجام شد و توموگرافی عنصر حساس را از طریق میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی در دمای پایین (الگوریتم تحلیلی پیشرفته) ادغام کرد و ساختار مرتبط و تکامل شیمیایی سیلیکون و همچنین برهم‌کنش‌های بین الکترولیت های جامد در سه بعدی

یو جنگلی از نانوسیم های سیلیکونی را روی یک دیسک فولادی ضد زنگ به عنوان آند برای آزمایش باتری کاشت. تاسیسات CINT در لوس آلاموس توانایی منحصر به فردی برای رشد مستقیم این نوع سیم سیلیکونی بر روی آند دارد.

محققین آزمایشگاهی صنعتی و ملی بر این باورند که سیلیکون امیدوارکننده‌ترین ماده الکترود منفی با ظرفیت بالا برای کاربرد عملی باتری‌های لیتیوم یونی نسل بعدی است. باتری شامل یک آند است که الکترون ها را وارد می کند و یک کاتدی که الکترون ها را برای تولید جریان به بیرون منتقل می کند.

با استفاده از آندهای مبتنی بر گرافیت و باتری‌های لیتیوم یون، برد تلفن‌های همراه و وسایل نقلیه الکتریکی بیش از 400 مایل است. توسعه نسل بعدی با استفاده از آندهای سیلیکونی که ظرفیت ذخیره سازی آن 10 برابر باتری های آند گرافیت است، با کاهش ظرفیت پس از شارژ مکرر مانع شده است.

پس از 100 چرخه شارژ/دشارژ، استفاده از باتری های سیلیکونی تنها می تواند 60 درصد از ظرفیت ذخیره سازی اصلی خود را مدیریت کند که برای فناوری روزانه به اندازه کافی خوب نیست.

تا به حال هیچ کس دلیل دقیق آن را نمی داند.

در کاربردهای اولیه، زمانی که ذرات کروی سیلیکون در معرض الکترولیت قرار می گرفتند و باردار می شدند، 300 درصد منبسط می شدند و به آند آسیب می رساند. در همه انواع باتری ها، فرآیند قرار دادن آند در معرض الکترولیت، واکنشی را برای تشکیل SEI ایجاد می کند. SEI برای پایداری باتری بسیار مهم است، زیرا نقش مهمی در واکنش های الکتروشیمیایی درون باتری ایفا می کند و پایداری آن را کنترل می کند.

هنگامی که SEI از آند جدا می شود، درست مانند سیلیکون، تماس الکتریکی شکسته می شود و ظرفیت باتری کاهش می یابد.

یو توضیح داد: "ما قبلا فکر می کردیم که نانوسیم ها می توانند مشکل انبساط سیلیکون در الکترولیت ها را حل کنند، زیرا یک سیم منفرد می تواند کشیده شود، اما متوجه نشدیم که چه اتفاقی افتاده است."

یو گفت که تحقیقات جدید نشان داده است که الکترولیت‌ها می‌توانند در سراسر سیلیکون نفوذ کنند و جیب‌های SEI را تشکیل دهند و مسیرهای الکترونیکی را مختل کنند. این فرآیند جزایر سیلیکونی ایزوله را در آند که نمی توانند ظرفیت باتری را افزایش دهند، قطع می کند. یو گفت که مرحله بعدی تحقیقاتی پوشش ذرات سیلیکونی یا نانوسیم ها برای حفظ یکپارچگی سیلیکون در حضور الکترولیت ها است.