Eine neue Methode zur Abbildung des Siliziumanodenabbaus soll zu besseren wiederaufladbaren Batterien führen

Forscher schlagen vor, dass eine neue Methode zur Charakterisierung der Struktur und chemischen Entwicklung von Silizium sowie eine dünne Schicht zur Steuerung der Batteriestabilität dazu beitragen könnten, das Problem der Verhinderung der Verwendung von Silizium in Hochleistungsbatterien anzugehen.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Grenzfläche zwischen Anode, negativer Elektrode und Elektrolyt, die den Ladungstransport zwischen der Anode und einer anderen Elektrode (Kathode) ermöglicht. Die Festelektrolyt-Interphasenschicht (SEI) wird normalerweise auf der Elektrodenoberfläche zwischen der Festelektrode und dem flüssigen Elektrolyten gebildet, was für elektrochemische Reaktionen in Batterien und die Steuerung der Stabilität von Batterien von entscheidender Bedeutung ist. Durch die Verwendung von Silizium als Anode können bessere wiederaufladbare Batterien erzielt werden.

In den letzten 10 Jahren hat Silizium als leistungsstarke negative Elektrode für wiederaufladbare Batterien große Aufmerksamkeit erregt. Professor Zhang Sulin von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Mechanik und Biotechnologie sagte, dass derzeit kommerzielle Batterien Graphit als negatives Elektrodenmaterial verwenden, die Kapazität von Silizium jedoch etwa zehnmal so hoch sei wie die von Graphit. Daher sind Dutzende Millionen, Hunderte Millionen oder sogar Hunderte Millionen Dollar für die Forschung an Siliziumbatterien aufgewendet.

Für eine Gesellschaft, die ihre Infrastruktur durch Elektrofahrzeuge und leistungsstarke tragbare elektronische Geräte elektrifizieren möchte, sind das gute Nachrichten, aber es gibt auch Herausforderungen. Während des Lade- und Entladevorgangs von Batterien dehnt sich das Siliziumvolumen aus und schrumpft, was zu Rissen im Siliziummaterial führt, und SEI bricht und regeneriert sich immer wieder. Dies führt zum Verlust des elektrischen Kontakts und zu einer Verringerung der Kapazität, also der im Akku gespeicherten Ladungsmenge.

Für die Lösung von Problemen ist es entscheidend, genau zu verstehen, wie dieser Prozess strukturell und chemisch abläuft.

Da die Stabilität dieser Schicht die Stabilität der Batterie steuert, soll sie nicht unkontrolliert wachsen, da bei der Bildung dieser Schicht Elektrolytmaterialien und aktives Lithium verbraucht werden. Zhang sagte, dass dies dazu führen könnte, dass der Elektrolyt austrocknet und das aktive Material verloren geht, was sich negativ auf die Batterieleistung auswirkt.

Eine große Herausforderung, die Zhang und sein Team in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellt haben, ist die Fähigkeit, diesen Prozess zu beobachten, zu charakterisieren und zu verstehen.

Die SEI-Schicht sei für Batterien von entscheidender Bedeutung, sagte Zhang, aber sie sei sehr dünn und unter keinem optischen Mikroskop sichtbar, und sie entwickle sich dynamisch während des Batteriezyklus. Es kann durch Transmissionselektronenmikroskopie an sehr nanoskaligen, sehr dünnen Materialien beobachtet werden. Aber für SEI ist diese Schicht sehr weich und kann durch Elektronenstrahlen leicht beschädigt werden, da man eine große Menge an Elektronen senden muss, um hochauflösende Bilder der Materialzusammensetzung zu erhalten.

Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Forscher die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (Kryo-STEM) bei niedriger Temperatur. Sie hielten das zirkulierende Elektrodenmaterial während der Vorbereitung und Verwendung der Niedertemperatur-STEM-Mikroskopie-Bildgebung auf niedriger Temperatur, um Schäden an der Probe durch Elektronenstrahlen zu minimieren. Darüber hinaus integrierten sie die Tomographie empfindlicher Elemente für die 3D-Bildgebung und fortschrittliche Algorithmen zur Aufnahme von Bildern bei niedrigeren Elektronendosen. Diese Technologie ermöglicht eine 3D-Ansicht der SEI-Silizium-Interaktion, die nach verschiedenen Batteriezyklen erfasst wird.

Die Einzigartigkeit unserer Methode liegt in der Niedertemperatur-STEM-Bildgebung und der multiphysikalischen Prozessmodellierung. Zhang sagte, dass wir die Entwicklung von Silizium und SEI nach dem Batteriezyklus visualisieren können; In der Zwischenzeit können wir Computersimulationen verwenden, um den gesamten Entwicklungsprozess der Mikrostruktur während des Zyklus nachzubilden. Das ist das Novum dieser Studie.

Die Arbeit dieses Teams hat es den Menschen ermöglicht, die Mechanismen besser zu verstehen, die zum Wachstum und zur Instabilität von SEI-Schichten in Siliziumanoden führen.

Daher werde uns das Verständnis des Wachstumsmechanismus von SEI-Schichten viele Einblicke in die Verbesserung der Leistung von Siliziumanoden oder Batteriedesigns geben, sagte Zhang. Dann können wir robustere Siliziumanoden für die nächste Generation von Lithiumbatterien herstellen.

Er erklärte, dass die nächste Generation von Lithiumbatterien der Industrie und dem normalen Verbraucher zahlreiche Vorteile bringen werde.

Silizium sei sehr reichlich vorhanden, und wenn wir Silizium als Anode mit einer langen Lebensdauer verwenden könnten, würden wir die Kapazität wiederaufladbarer Batterien erheblich steigern, sagte Zhang. Darüber hinaus wird dies aufgrund der reichlich vorhandenen Siliziumressourcen zu niedrigeren Batteriepreisen führen.

Mit einem kritischen Verständnis der Entwicklung der SEI-Schicht während des Ladens und Entladens von Siliziumbatterien mit negativer Elektrode sagte Zhang, dass der nächste Schritt darin bestehen werde, dieses Wissen zu nutzen, um bei der Entwicklung einer Siliziumbatterie mit negativer Elektrode zu helfen, die aufgrund von Zyklen nicht an Kapazität verliert.

„Mit einem Verständnis der möglichen Mechanismen besteht der nächste Schritt darin, einige wissenschaftliche Hypothesen zu entwickeln“, sagte Zhang. Anschließend werden wir diese Hypothese mithilfe einer Siliziumanode testen, um die mit Siliziumvolumenänderungen verbundenen nachteiligen Auswirkungen abzumildern. Durch die Kontrolle der derzeit unkontrollierbaren Faktoren können wir Siliziumelektroden mit besserer Leistung entwickeln.

An dieser Studie nahmen neben Zhang auch Forscher der Pennsylvania State University teil, darunter die Absolventen der Ingenieurwissenschaften und Mechanik Tianwu Chen und Dingchuan Xue. Weitere Forscher sind Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin und Zhang Jiguang vom Pacific Northwest National Laboratory; Von ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan und TedTessner; Vom Los Alamos National Laboratory, JinkyoungYoo. Das Energieministerium und die National Science Foundation unterstützten diese Forschung.