Nanostructura anodului de siliciu generează un nou potențial pentru bateriile litiu-ion

De

În camera 1, se cultivă nanoparticule, realizate din metal de tantal. În interiorul acestei camere, atomii individuali de tantal se adună, asemănător formării picăturilor de ploaie. În camera 2, nanoparticulele sunt filtrate în masă, îndepărtându-le pe cele care sunt prea mari sau prea mici. În camera 3, se depune un strat de nanoparticule. Acest strat este apoi „stropit” cu atomi de siliciu izolați, formând un strat de siliciu. Acest proces poate fi repetat pentru a crea o structură cu mai multe straturi. Credit: Schema creată de Pavel Puchenkov, secțiunea OIST de informatică științifică și analiză a datelor

Oamenii de știință descoperă o nouă nanostructură care ar putea revoluționa tehnologia bateriilor și nu numai.

  • Noi cercetări au identificat o nanostructură care îmbunătățește anodul în bateriile litiu-ion
  • În loc să utilizeze grafit pentru anod, cercetătorii au apelat la siliciu: un material care reține mai multă sarcină, dar este mai susceptibil la spargere
  • Echipa a realizat anodul de siliciu prin depunerea de atomi de siliciu deasupra nanoparticulelor metalice
  • Nanostructura rezultată a format arcuri, crescând rezistența și integritatea structurală a anodului
  • Testele electrochimice au arătat că bateriile litiu-ion cu anodi de siliciu îmbunătățite au o capacitate de încărcare mai mare și o durată de viață mai mare

Noile cercetări efectuate de Universitatea de Știință și Tehnologie din Okinawa (OIST) au identificat un bloc specific care îmbunătățește anodul în bateriile litiu-ion. Caracteristicile unice ale structurii, care a fost construită folosind tehnologia nanoparticulelor, sunt descoperite și explicate astăzi (5 februarie 2021) în Materiale de comunicare.

Baterii puternice, portabile și reîncărcabile, ionul litiu sunt componentele esențiale ale tehnologiei moderne, care se regăsește în smartphone-uri, laptopuri și vehicule electrice. În 2019, potențialul lor de a revoluționa modul în care stocăm și consumăm energie în viitor, pe măsură ce ne îndepărtăm de combustibilii fosili, a fost recunoscut în special cu Premiul Nobel acordat noului membru al Consiliului Guvernatorilor OIST, Dr. Akira Yoshino, pentru munca sa privind dezvoltarea bateriei litiu-ion.

În mod tradițional, grafitul este utilizat pentru anodul unei baterii litiu-ion, dar acest material de carbon are limitări majore.

„Când se încarcă o baterie, ionii de litiu sunt forțați să se deplaseze dintr-o parte a bateriei – catodul – printr-o soluție de electroliți către cealaltă parte a bateriei – anodul. Apoi, când se folosește o baterie, ionii de litiu se deplasează înapoi la catod și un curent electric este eliberat din baterie ”, a explicat Dr. Marta Haro, fost cercetător la OIST și primul autor al studiului. “Dar în anodii de grafit, sunt necesari șase atomi de carbon pentru a stoca un ion litiu, astfel încât densitatea energetică a acestor baterii este scăzută.”

Cu știința și industria care explorează în prezent utilizarea bateriilor litiu-ion pentru a furniza vehicule electrice și nave spațiale, îmbunătățirea densității energiei este esențială. Cercetătorii caută acum noi materiale care ar putea crește numărul de ioni de litiu depozitați la anod.

Unul dintre cei mai promițători candidați este siliciul, care poate lega patru ioni de litiu la fiecare siliciu atom.

Etape de creștere și rezistență mecanică a filmului de silicon

În prima etapă, pelicula de silicon există ca o structură coloană rigidă, dar oscilantă. În a doua etapă, coloanele sunt atinse în partea de sus, formând o structură arcuită, care este puternică datorită acțiunii arcului. În a treia etapă, depunerea suplimentară a atomilor de siliciu are ca rezultat o structură asemănătoare unui burete. Liniile roșii punctate arată modul în care se deformează siliciul atunci când se aplică o forță. Credit: Schema creată de Dr. Panagiotis Grammatikopoulos, OIST Nanoparticule din Unitatea de proiectare și Laboratorul de tehnologie a particulelor, ETH Zürich

„Anodii de siliciu pot stoca de zece ori mai multă sarcină într-un volum dat decât anodii de grafit – o ordine întreagă de mărime mai mare în ceea ce privește densitatea energiei”, a spus Dr. Haro. „Problema este că, pe măsură ce ionii de litiu se deplasează către anod, schimbarea volumului este mare, până la aproximativ 400%, ceea ce face ca electrodul să se rupă și să se rupă”.

Schimbarea volumului mare previne, de asemenea, formarea stabilă a unui strat protector care se extinde între electrolit și anod. Ori de câte ori bateria este încărcată, acest strat trebuie reparat în mod constant, utilizând cantitatea limitată de ioni de litiu și reducând durata de viață a bateriei și reîncărcarea.

„Scopul nostru a fost să testăm și să creăm un anod mai puternic, capabil să reziste acestor solicitări, care poate absorbi cât mai mult litiu și poate oferi cât mai multe cicluri de încărcare înainte ca acesta să se deterioreze”, a spus Dr. Grammatikopoulos, vechiul autor al scrisorii. „Și abordarea pe care am luat-o a fost de a construi o structură folosind nanoparticule.”

Într-o lucrare anterioară, publicată în 2017 în Științe avansate, Nanoparticulele OIST distribuite acum de Unitatea de Proiectare au dezvoltat o structură stratificată de tip tort, în care fiecare strat de siliciu a fost plasat între nanoparticulele metalice de tantal. Acest lucru a îmbunătățit integritatea structurală a anodului de siliciu, prevenind umflarea excesivă.

În timp ce experimentau diferite grosimi ale stratului de siliciu pentru a vedea cum afectează proprietățile elastice ale materialului, cercetătorii au observat ceva ciudat.

„A existat un punct într-o grosime specifică a stratului de siliciu în care proprietățile elastice ale structurii s-au schimbat complet”, a spus Theo Bouloumis, un doctorand actual la OIST care conducea experimentul. „Materialul a devenit treptat mai greu, dar apoi duritatea a scăzut rapid pe măsură ce grosimea stratului de siliciu a crescut și mai mult. Aveam câteva idei, dar la momentul respectiv nu știam motivul de bază pentru care s-a întâmplat această schimbare. ”

Acum, această nouă lucrare oferă în cele din urmă o explicație pentru creșterea bruscă a rigidității la o grosime critică.

Prin tehnici de microscopie și simulări pe computer la nivel atomic, cercetătorii au arătat că, în timp ce atomii de siliciu sunt depuși în stratul de nanoparticule, aceștia nu formează un film uniform. În schimb, ele formează coloane sub formă de conuri inversate, crescând din ce în ce mai mult pe măsură ce se depun mai mulți atomi de siliciu. În cele din urmă, coloanele de siliciu individuale se ating, formând o structură arcuită.

„Structura arcuită este puternică, la fel ca un arc puternic în ingineria civilă”, a spus Dr. Grammatikopoulos. “Același concept se aplică, doar la o scară nanomedicală.”

Important, rezistența crescută a structurii a coincis, de asemenea, cu performanța crescută a bateriei. Când oamenii de știință au efectuat teste electrochimice, au descoperit că bateria litiu-ion are o capacitate de încărcare crescută. Stratul de protecție a fost, de asemenea, mai durabil, ceea ce înseamnă că bateria poate rezista la mai multe cicluri de încărcare.

Aceste îmbunătățiri sunt văzute numai în momentul exact al atingerii coloanelor. Înainte de a se produce acest moment, polii individuali sunt zguduiti și, prin urmare, nu pot asigura integritatea structurală a anodului. Și dacă depunerea de silicon continuă după atingerea coloanelor, creează un film poros cu multe goluri, rezultând un comportament slab, asemănător unui burete.

Acest lucru dezvăluie structura arcuită și modul în care își dobândește proprietățile sale unice nu numai că acționează ca un pas important înainte spre comercializarea anodilor de siliciu în bateriile litiu-ion, dar are și multe alte aplicații posibile în științele materialelor.

„Structura arcuită poate fi utilizată atunci când sunt necesare materiale puternice și capabile să reziste la diverse solicitări, cum ar fi pentru bioimplanturi sau pentru stocarea hidrogenului”, a spus dr. Grammatikopoulos. „Tipul exact de material de care aveți nevoie – mai puternic sau mai moale, mai flexibil sau mai puțin flexibil – poate fi realizat precis prin simpla schimbare a grosimii stratului. Aceasta este frumusețea nanostructurilor. ”

Referință: 5 februarie 2021, Materiale de comunicare.
DOI: 10.1038 / s43246-021-00119-0

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.