Skilningur á kísilbilun opnar leið fyrir rannsóknir á litíum rafhlöðum með meiri getu

Í litíumjónarafhlöðum úr sílikonvír losnar raflausnin af sílikoninu sem hindrar rafeindabrautir og dregur verulega úr hleðslugetu þessara efnilegu tækja.

Nýja ritgerðin (Framfarandi vöxtur fasts efnis - Raflausn í iðnaði hefur sett sér markmið fyrir Siano de inter ocean rafhlöðurnar) staðfestir að þetta ferli opnar nýjar rannsóknarleiðir og nýtir að lokum gríðarlega möguleika kísils til að gjörbreyta háa afkastagetu og langri -varandi rafhlöður frá farsímum til bíla.

Jinkyoung Yoo, vísindamaður við Los Alamos National Laboratory og samsvarandi höfundur greinarinnar, sagði að með þessum nýja skilningi leggjum við til að þróa húðunaraðferð sem einangrar sílikon frá raflausninni til að bæta afköst kísil nanóvíra litíumjónarafhlöðu. Yoo er hálfleiðara nanóefnisræktandi hjá Integrated Technology Center (CINT), sem er notendaaðstaða orkumálaráðuneytisins í Los Alamos og Sandia National Laboratories.

Mynd af sílikon nanóvírum sem ræktaðir eru á ryðfríu stáli diski (réttsælis frá efst í vinstra horninu) er sýnd í hliðar-, efsta- og stórmyndum. Diskurinn er um fjórðungur að stærð. Nýjar rannsóknir NatureNanotech hafa uppgötvað ferlið við að takmarka notkun kísils í litíumjónarafhlöðum og bent á rannsóknarleiðir til að sigrast á þessum vandamálum. Rafgeymslugeta rafhlöðu með kísilskaut er 10 sinnum meiri en rafhlöðu með dæmigerð grafítundirstaða rafskaut.

Þessi rannsókn var gerð af samstarfsaðilum frá röð innlendra rannsóknarstofa og háskóla, sem samþætti sneiðmyndatöku viðkvæmra þátta með lághitaskönnun rafeindasmásjár (háþróað greiningarreiknirit) og leiddi í ljós tengda uppbyggingu og efnafræðilega þróun kísils sem og víxlverkun milli solid raflausn í 3D.

Yoo gróðursetti skóg af kísil nanóvírum á ryðfríu stáli disk sem rafskaut fyrir rafhlöðutilraunir. CINT verksmiðjan í Los Alamos hefur einstaka hæfileika til að rækta þessa tegund af sílikonvír beint á rafskautið.

Bæði iðnaðar- og innlend rannsóknarstofa vísindamenn telja að kísill sé efnilegasta neikvæða rafskautsefnið með mikla afkastagetu fyrir hagnýta notkun næstu kynslóðar litíumjónarafhlöðu. Rafhlaðan inniheldur rafskaut sem kemur rafeindum inn og bakskaut sem flytur rafeindir út til að mynda straum.

Með því að nota grafítundirstaða rafskaut og litíumjónarafhlöður er drægni farsíma og rafbíla yfir 400 mílur. Þróun næstu kynslóðar með því að nota kísilskaut, sem vitað er að hafa geymslugetu sem er 10 sinnum meiri en grafít rafskaut rafhlöður, hefur verið hindrað af rýrnun afkastagetu eftir endurtekna hleðslu.

Eftir 100 hleðslu/hleðslulotur getur notkun sílikonrafhlöður aðeins stjórnað 60% af upprunalegu geymslurými þeirra, sem er ekki nógu gott fyrir daglega tækni.

Hingað til veit enginn nákvæmlega ástæðuna.

Í fyrstu notkun, þegar kísilkúluagnir voru útsettar fyrir raflausninni og hlaðnar, myndu þær stækka um 300% og skemma rafskautið. Í öllum gerðum rafhlaðna framkallar ferlið við að útsetja rafskautið viðbrögð til að mynda SEI. SEI skiptir sköpum fyrir stöðugleika rafhlöðunnar, þar sem það gegnir mikilvægu hlutverki í rafefnafræðilegum viðbrögðum innan rafhlöðunnar og stjórnar stöðugleika hennar.

Þegar SEI skilur sig frá rafskautinu, rétt eins og það gerir með sílikon, rofnar rafsnertingin og rafgeymirinn minnkar.

„Við héldum áður að nanóvírar gætu leyst vandamálið með kísilþenslu í raflausnum vegna þess að hægt var að teygja einn vír, en við skildum ekki hvað gerðist,“ útskýrði Yoo.

Yoo sagði að nýjar rannsóknir hafi leitt í ljós að raflausnir geta komist í gegnum sílikon, myndað SEI vasa og truflað rafrænar leiðir. Þetta ferli aftengir einangraðar kísileyjar í rafskautinu sem geta ekki aukið rafhlöðuna. Yoo sagði að næsta rannsóknarskref væri að húða kísilagnir eða nanóvíra til að viðhalda heilleika kísils í nærveru raflausna.