Mae deall methiant silicon yn agor y ffordd ar gyfer ymchwil ar batris lithiwm gallu uwch

Mewn batris lithiwm-ion gwifren silicon, mae'r electrolyte yn pilio oddi ar silicon, sy'n rhwystro llwybrau electronig ac yn lleihau gallu codi tâl y dyfeisiau addawol hyn yn fawr.

Mae'r papur newydd (Twf cynyddol y solid - Electrolyte yn y diwydiant wedi gosod nodau ar gyfer batris Siano de inter Ocean) yn cadarnhau bod y broses hon yn agor llwybrau ymchwil newydd, gan ddefnyddio potensial enfawr silicon yn y pen draw i drawsnewid cynhwysedd uchel a hir yn llwyr. - batris parhaol o ffonau symudol i geir.

Dywedodd Jinkyoung Yoo, gwyddonydd yn Labordy Cenedlaethol Los Alamos ac awdur cyfatebol y papur, gyda'r ddealltwriaeth newydd hon, ein bod yn awgrymu datblygu dull cotio sy'n ynysu silicon o'r electrolyte i wella perfformiad batris lithiwm-ion nanowire silicon. Mae Yoo yn dyfwr nanomaterial lled-ddargludyddion yn y Ganolfan Technoleg Integredig (CINT), sy'n gyfleuster defnyddiwr yr Adran Ynni yn Labordai Cenedlaethol Los Alamos a Sandia.

Mae llun o nanowires silicon wedi'u tyfu ar ddisg dur di-staen (clocwedd o'r gornel chwith uchaf) yn cael ei arddangos mewn golygfeydd ochr, brig a macro. Mae'r ddisg tua chwarter maint. Mae ymchwil newydd NatureNanotech wedi darganfod y broses o gyfyngu ar y defnydd o silicon mewn batris lithiwm-ion ac wedi nodi llwybrau ymchwil i oresgyn y materion hyn. Mae cynhwysedd storio trydanol batri ag anod silicon 10 gwaith yn fwy na chynhwysedd batri ag anod graffit nodweddiadol.

Cynhaliwyd yr astudiaeth hon gan gydweithwyr o gyfres o labordai cenedlaethol a phrifysgolion, gan integreiddio tomograffeg elfen sensitif trwy ficrosgopeg trawsyrru electronau sganio tymheredd isel (algorithm dadansoddol uwch), a datgelu strwythur cysylltiedig ac esblygiad cemegol silicon yn ogystal â'r rhyngweithiadau rhwng electrolytau solet mewn 3D.

Plannodd Yoo goedwig o nanowires silicon ar ddisg dur di-staen fel anod ar gyfer arbrofion batri. Mae gan y cyfleuster CINT yn Los Alamos allu unigryw i dyfu'r math hwn o wifren silicon yn uniongyrchol ar yr anod.

Mae ymchwilwyr labordy diwydiannol a chenedlaethol yn credu mai silicon yw'r deunydd electrod negyddol cynhwysedd uchel mwyaf addawol ar gyfer cymhwyso batris lithiwm-ion y genhedlaeth nesaf yn ymarferol. Mae'r batri yn cynnwys anod sy'n dod ag electronau i mewn a catod sy'n symud electronau allan i gynhyrchu cerrynt.

Gan ddefnyddio anodau graffit a batris lithiwm-ion, mae'r ystod o ffonau symudol a cherbydau trydan yn fwy na 400 milltir. Mae datblygu'r genhedlaeth nesaf gan ddefnyddio anodau silicon, y gwyddys bod ganddo gapasiti storio 10 gwaith yn fwy na batris anod graffit, wedi'i lesteirio gan ddirywiad cynhwysedd ar ôl codi tâl dro ar ôl tro.

Ar ôl 100 o gylchoedd gwefru / gollwng, dim ond 60% o'u cynhwysedd storio gwreiddiol y gall defnyddio batris silicon eu rheoli, nad yw'n ddigon da ar gyfer technoleg ddyddiol.

Hyd yn hyn, nid oes neb yn gwybod yr union reswm.

Mewn cymwysiadau cynnar, pan oedd gronynnau sfferig silicon yn agored i'r electrolyte a'u cyhuddo, byddent yn ehangu 300% ac yn niweidio'r anod. Ym mhob math o fatris, mae'r broses o ddatgelu'r anod i'r electrolyte yn cynhyrchu adwaith i ffurfio SEI. Mae SEI yn hanfodol ar gyfer sefydlogrwydd batri, gan ei fod yn chwarae rhan hanfodol yn yr adweithiau electrocemegol o fewn y batri ac yn rheoli ei sefydlogrwydd.

Pan fydd SEI yn gwahanu oddi wrth yr anod, yn union fel y mae gyda silicon, mae'r cyswllt trydanol yn cael ei dorri ac mae gallu'r batri yn lleihau.

"Roeddem yn arfer meddwl y gallai nanowires ddatrys y broblem o ehangu silicon mewn electrolytau oherwydd y gellid ymestyn gwifren sengl, ond nid oeddem yn deall beth ddigwyddodd," esboniodd Yoo.

Dywedodd Yoo fod ymchwil newydd wedi canfod y gall electrolytau dreiddio trwy gydol silicon, gan ffurfio pocedi SEI ac amharu ar lwybrau electronig. Mae'r broses hon yn datgysylltu ynysoedd silicon ynysig yn yr anod na all gynyddu gallu batri. Dywedodd Yoo mai'r cam ymchwil nesaf yw gorchuddio gronynnau silicon neu nanowires i gynnal uniondeb silicon ym mhresenoldeb electrolytau.