Das Verständnis des Siliziumversagens eröffnet den Weg für die Erforschung von Lithiumbatterien mit höherer Kapazität

In Siliziumdraht-Lithium-Ionen-Batterien löst der Elektrolyt das Silizium ab, was die elektronischen Pfade behindert und die Ladekapazität dieser vielversprechenden Geräte erheblich verringert.

Das neue Papier (Progressive Growth of the Solid – Electrolyte in the Industry Has Set Goals for the Siano de Inter Ocean Batteries) bestätigt, dass dieser Prozess neue Forschungswege eröffnet und letztendlich das enorme Potenzial von Silizium nutzt, um Hochleistungs- und Langzeitbatterien vollständig umzuwandeln -Langlebige Batterien vom Mobiltelefon bis zum Auto.

Jinkyoung Yoo, ein Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory und korrespondierender Autor des Papiers, sagte, dass wir mit diesem neuen Verständnis die Entwicklung einer Beschichtungsmethode vorschlagen, die Silizium vom Elektrolyten isoliert, um die Leistung von Silizium-Nanodraht-Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Yoo ist ein Züchter von Halbleiter-Nanomaterialien am Integrated Technology Center (CINT), einer Benutzereinrichtung des Energieministeriums in den Los Alamos und Sandia National Laboratories.

Ein Foto von Silizium-Nanodrähten, die auf einer Edelstahlscheibe gewachsen sind (im Uhrzeigersinn von der oberen linken Ecke), wird in der Seitenansicht, von oben und in der Makroansicht angezeigt. Die Scheibe ist etwa ein Viertel groß. Die neue Forschung von NatureNanotech hat den Prozess zur Begrenzung der Verwendung von Silizium in Lithium-Ionen-Batterien entdeckt und Forschungswege zur Überwindung dieser Probleme identifiziert. Die elektrische Speicherkapazität einer Batterie mit einer Siliziumanode ist zehnmal so hoch wie die einer Batterie mit einer typischen Anode auf Graphitbasis.

Diese Studie wurde von Mitarbeitern einer Reihe nationaler Labore und Universitäten durchgeführt, wobei die Tomographie empfindlicher Elemente mit der Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedriger Temperatur (einem fortschrittlichen Analysealgorithmus) integriert wurde und die damit verbundene Struktur und chemische Entwicklung von Silizium sowie die Wechselwirkungen zwischen ihnen aufgedeckt wurden Festelektrolyte in 3D.

Yoo pflanzte einen Wald aus Silizium-Nanodrähten auf einer Edelstahlscheibe als Anode für Batterieexperimente. Die CINT-Anlage in Los Alamos verfügt über die einzigartige Fähigkeit, diese Art von Siliziumdraht direkt auf der Anode wachsen zu lassen.

Sowohl industrielle als auch nationale Laborforscher glauben, dass Silizium das vielversprechendste Material für negative Elektroden mit hoher Kapazität für die praktische Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation ist. Die Batterie besteht aus einer Anode, die Elektronen hineinbringt, und einer Kathode, die Elektronen herausbewegt, um Strom zu erzeugen.

Durch den Einsatz von Anoden auf Graphitbasis und Lithium-Ionen-Batterien beträgt die Reichweite von Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen mehr als 400 Meilen. Die Entwicklung der nächsten Generation unter Verwendung von Siliziumanoden, von denen bekannt ist, dass sie eine zehnmal höhere Speicherkapazität als Graphitanodenbatterien haben, wurde durch einen Kapazitätsabbau nach wiederholtem Laden behindert.

Nach 100 Lade-/Entladezyklen erreichen Siliziumbatterien nur noch 60 % ihrer ursprünglichen Speicherkapazität, was für die Alltagstechnik nicht ausreicht.

Bisher kennt niemand den genauen Grund.

In frühen Anwendungen dehnten sich kugelförmige Siliziumpartikel, wenn sie dem Elektrolyten ausgesetzt und aufgeladen wurden, um 300 % aus und beschädigten die Anode. Bei allen Batterietypen führt der Prozess, bei dem die Anode dem Elektrolyten ausgesetzt wird, zu einer Reaktion zur Bildung von SEI. SEI ist für die Batteriestabilität von entscheidender Bedeutung, da es eine entscheidende Rolle bei den elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Batterie spielt und deren Stabilität steuert.

Wenn sich SEI wie bei Silizium von der Anode trennt, wird der elektrische Kontakt unterbrochen und die Batteriekapazität nimmt ab.

„Früher dachten wir, dass Nanodrähte das Problem der Siliziumausdehnung in Elektrolyten lösen könnten, weil ein einzelner Draht gedehnt werden könnte, aber wir verstanden nicht, was passierte“, erklärte Yoo.

Yoo sagte, dass neue Forschungsergebnisse ergeben hätten, dass Elektrolyte das gesamte Silizium durchdringen, SEI-Taschen bilden und elektronische Leitungen stören könnten. Durch diesen Prozess werden isolierte Siliziuminseln in der Anode getrennt, die die Batteriekapazität nicht erhöhen können. Yoo sagte, dass der nächste Forschungsschritt darin besteht, Siliziumpartikel oder Nanodrähte zu beschichten, um die Integrität von Silizium in Gegenwart von Elektrolyten aufrechtzuerhalten.