Búist er við að ný aðferð til að mynda niðurbrot á kísilskautum muni ná fram betri endurhlaðanlegum rafhlöðum

Vísindamenn benda til þess að ný aðferð til að einkenna uppbyggingu og efnaþróun kísils, sem og þunnt lag sem stjórnar stöðugleika rafhlöðunnar, gæti hjálpað til við að takast á við vandamálið um að koma í veg fyrir notkun kísils í rafhlöðum með mikla afkastagetu.

Áherslan í rannsókninni er á viðmóti rafskauts, neikvæðs rafskauts og raflausnar, sem gerir hleðslum kleift að fara á milli rafskautsins og annars rafskauts (bakskauts). Fast raflausn millifasa (SEI) lagið er venjulega myndað á yfirborði rafskautsins milli fasta rafskautsins og fljótandi raflausnarinnar, sem er mikilvægt fyrir rafefnafræðileg viðbrögð í rafhlöðum og stjórna stöðugleika rafhlöðunnar. Með því að nota sílikon sem rafskaut er hægt að ná betri endurhlaðanlegum rafhlöðum.

Á undanförnum 10 árum hefur kísill vakið mikla athygli sem afkastamikil neikvæð rafskaut fyrir endurhlaðanlegar rafhlöður. Prófessor Zhang Sulin í verkfræðivísindum og aflfræði og líftækni sagði að rafhlöður í atvinnuskyni nota grafít sem neikvætt rafskautsefni, en kísilgetan er um það bil 10 sinnum meiri en grafít. Þess vegna eru tugir milljóna, hundruð milljóna, eða jafnvel hundruð milljóna dollara tileinkaðir rannsóknum á sílikonrafhlöðum.

Fyrir samfélag sem vonast til að rafvæða innviði sína með rafknúnum ökutækjum og öflugum flytjanlegum rafeindatækjum eru þetta góðar fréttir, en það eru líka áskoranir. Meðan á hleðslu- og afhleðsluferli rafgeyma stendur mun rúmmál kísils stækka og dragast saman, sem leiðir til sprungna á kísilefninu og SEI mun brotna og endurnýjast aftur og aftur. Þetta mun leiða til taps á rafsnertingu og minnkunar á afkastagetu, sem er magn hleðslu sem er geymt í rafhlöðunni.

Nákvæmur skilningur á því hvernig þetta ferli þróast uppbyggingarlega og efnafræðilega er mikilvægt til að leysa vandamál.

Vegna þess að stöðugleiki þessa lags stjórnar stöðugleika rafhlöðunnar, vilt þú ekki að hún vaxi óstjórnlega vegna þess að myndun þessa lags mun eyða raflausnum og virku litíum. Zhang sagði að þetta gæti valdið því að raflausnin þorni og virka efnið glatist og þar með haft slæm áhrif á afköst rafhlöðunnar.

Stór áskorun sem Zhang og teymi hans hafa sett fram í tímaritinu Nature Nanotechnology er hæfileikinn til að fylgjast með, einkenna og skilja þetta ferli.

SEI lagið er mikilvægt fyrir rafhlöður, sagði Zhang, en það er mjög þunnt og er ekki hægt að sjá það undir neinni sjónsmásjá og það þróast á kraftmikinn hátt meðan á rafhlöðuhjóli stendur. Það er hægt að fylgjast með því með rafeindasmásjá á mjög nanóskala, mjög þunnt efni. En fyrir SEI er þetta lag mjög mjúkt og skemmist auðveldlega af rafeindageislum, þar sem þú verður að senda mikið magn af rafeindum til að fá háupplausnar myndir af efnissamsetningu.

Til að vinna bug á þessu vandamáli notuðu vísindamenn lághitaskönnun með rafeindasmásjá (cryo STEM). Þeir héldu rafskautsefninu í hringrásinni við lágan hita meðan á undirbúningi og notkun lághita STEM smásjármyndatöku stóð til að lágmarka rafeindageislaskemmdir á sýninu. Að auki samþættu þeir sneiðmyndatöku fyrir næma frumefni fyrir þrívíddarmyndatöku og háþróaða reiknirit sem miða að því að taka myndir með lægri rafeindaskömmtum. Þessi tækni nær fram þrívíddarsýn af SEI sílikonsamskiptum, tekin eftir mismunandi rafhlöðulotur.

Sérstaða aðferðar okkar liggur í lághita STEM myndgreiningu og fjölfræðilegri ferlilíkönum. Zhang sagði að við getum séð þróun kísils og SEI eftir rafhlöðuhjólreiðar; Á meðan getum við notað reiknihermun til að endurgera allt þróunarferlið örbyggingar á meðan á lotunni stendur. Þetta er nýjung þessarar rannsóknar.

Vinna þessa teymis hefur gert fólki kleift að skilja betur aðferðirnar sem leiða til vaxtar og óstöðugleika SEI laga í kísilskautum.

Þess vegna, með skilningi á vaxtarferli SEI laga, mun þetta gefa okkur mikla innsýn í hvernig á að bæta árangur kísilskauta eða rafhlöðuhönnunar, sagði Zhang. Þá getum við framleitt öflugri kísilskaut fyrir næstu kynslóð af litíum rafhlöðum.

Hann útskýrði að næsta kynslóð af litíum rafhlöðum muni hafa margvíslegan ávinning fyrir iðnaðinn og venjulega neytendur.

Kísill er mjög mikið, og ef við getum notað kísill sem rafskaut með langan líftíma, munum við auka getu endurhlaðanlegra rafhlaðna til muna, sagði Zhang. Þar að auki, vegna mikils kísilauðlinda, mun þetta lækka verð á rafhlöðum.

Með gagnrýninn skilning á þróun SEI lagsins við hleðslu og afhleðslu sílikon neikvæðra rafskauta rafhlöður, sagði Zhang að næsta skref væri að nota þessa þekkingu til að hjálpa til við að hanna sílikon neikvæð rafskaut rafhlöðu sem mun ekki missa afkastagetu vegna hjólreiða.

„Með skilning á hugsanlegum aðferðum er næsta skref að búa til nokkrar vísindalegar tilgátur,“ sagði Zhang. Síðan munum við prófa þessa tilgátu með því að nota kísilskaut svo við getum dregið úr skaðlegum áhrifum sem tengjast kísilrúmmálsbreytingum. Með því að stjórna núverandi óviðráðanlegum þáttum getum við hannað sílikon rafskaut með betri afköstum.

Vísindamenn frá Pennsylvania State University, ásamt Zhang, tóku þátt í þessari rannsókn, þar á meðal útskriftarnemar í verkfræði og vélfræði Tianwu Chen og Dingchuan Xue. Aðrir vísindamenn eru Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin og Zhang Jiguang frá Pacific Northwest National Laboratory; Frá ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan og TedTessner; Frá Los Alamos National Laboratory, JinkyoungYoo. Orkumálaráðuneytið og Vísindasjóðurinn styrktu þessar rannsóknir.