S'espera que un nou mètode per obtenir imatges de la degradació de l'ànode de silici aconsegueixi millors bateries recarregables

Els investigadors suggereixen que un nou mètode per caracteritzar l'estructura i l'evolució química del silici, així com una capa fina que controla l'estabilitat de la bateria, pot ajudar a resoldre el problema de prevenir l'ús de silici en bateries d'alta capacitat.

El focus de la investigació se centra en la interfície entre l'ànode, l'elèctrode negatiu i l'electròlit, que permet que les càrregues es moguin entre l'ànode i un altre elèctrode (càtode). La capa d'interfase d'electròlit sòlid (SEI) es forma normalment a la superfície de l'elèctrode entre l'elèctrode sòlid i l'electròlit líquid, que és crucial per a les reaccions electroquímiques de les bateries i per controlar l'estabilitat de les bateries. L'ús de silici com a ànode pot aconseguir millors bateries recarregables.

En els últims 10 anys, el silici ha cridat molta atenció com a elèctrode negatiu d'alta capacitat per a bateries recarregables. El professor Zhang Sulin de Ciència de l'Enginyeria i Mecànica i Biotecnologia va dir que actualment les bateries comercials utilitzen grafit com a material d'elèctrode negatiu, però la capacitat del silici és aproximadament 10 vegades superior a la del grafit. Per tant, hi ha desenes de milions, centenars de milions o fins i tot centenars de milions de dòlars dedicats a la recerca de bateries de silici.

Per a una societat que espera electrificar la seva infraestructura mitjançant vehicles elèctrics i potents dispositius electrònics portàtils, aquesta és una bona notícia, però també hi ha reptes. Durant el procés de càrrega i descàrrega de les bateries, el volum de silici s'expandirà i es contraurà, provocant l'esquerda del material de silici, i SEI es trencarà i es regenerarà una i altra vegada. Això provocarà la pèrdua de contacte elèctric i una disminució de la capacitat, que és la quantitat de càrrega emmagatzemada a la bateria.

Entendre amb precisió com es desenvolupa aquest procés estructuralment i químicament és crucial per resoldre problemes.

Com que l'estabilitat d'aquesta capa controla l'estabilitat de la bateria, no voleu que creixi sense control perquè la formació d'aquesta capa consumirà materials electròlits i liti actiu. Zhang va dir que això pot provocar que l'electròlit s'assequi i que es perdi el material actiu, la qual cosa pot tenir un impacte advers en el rendiment de la bateria.

Un repte important que Zhang i el seu equip han presentat a la revista Nature Nanotechnology és la capacitat d'observar, caracteritzar i entendre aquest procés.

La capa SEI és crucial per a les bateries, va dir Zhang, però és molt prima i no es pot veure sota cap microscopi òptic, i evoluciona dinàmicament durant el cicle de la bateria. Es pot observar mitjançant microscòpia electrònica de transmissió en materials molt prims i molt nanoescala. Però per a SEI, aquesta capa és molt suau i es fa malbé fàcilment pels feixos d'electrons, ja que cal enviar una gran quantitat d'electrons per obtenir imatges d'alta resolució de la composició del material.

Per solucionar aquest problema, els investigadors van utilitzar microscòpia electrònica de transmissió d'escaneig a baixa temperatura (crio STEM). Van mantenir el material de l'elèctrode circulant a baixa temperatura durant la preparació i l'ús d'imatges de microscòpia STEM a baixa temperatura per minimitzar el dany del feix d'electrons a la mostra. A més, van integrar tomografia d'elements sensibles per a imatges 3D i algorismes avançats destinats a capturar imatges a dosis d'electrons més baixes. Aquesta tecnologia aconsegueix una visió 3D de la interacció de silici SEI, capturada després de diferents cicles de bateria.

La singularitat del nostre mètode rau en la imatge STEM a baixa temperatura i el modelatge de processos multifísics. Zhang va dir que podem visualitzar l'evolució del silici i el SEI després del cicle de la bateria; Mentrestant, podem utilitzar simulacions computacionals per reformular tot el procés d'evolució de la microestructura durant el cicle. Aquesta és la novetat d'aquest estudi.

El treball d'aquest equip ha permès a la gent entendre millor els mecanismes que condueixen al creixement i la inestabilitat de les capes SEI als ànodes de silici.

Per tant, amb una comprensió del mecanisme de creixement de les capes SEI, això ens donarà moltes idees sobre com millorar el rendiment dels ànodes de silici o els dissenys de bateries, va dir Zhang. Aleshores podem fabricar ànodes de silici més robusts per a la propera generació de bateries de liti.

Va explicar que la propera generació de bateries de liti aportarà múltiples beneficis a la indústria i als consumidors corrents.

El silici és molt abundant, i si podem utilitzar silici com a ànode amb un cicle de vida llarg, augmentarem molt la capacitat de les bateries recarregables, va dir Zhang. A més, a causa dels abundants recursos de silici, això reduirà el preu de les bateries.

Amb una comprensió crítica de l'evolució de la capa SEI durant la càrrega i descàrrega de bateries d'elèctrodes negatius de silici, Zhang va dir que el següent pas serà utilitzar aquest coneixement per ajudar a dissenyar una bateria d'elèctrodes negatius de silici que no perdrà capacitat a causa del cicle.

"Amb una comprensió dels mecanismes potencials, el següent pas és generar algunes hipòtesis científiques", va dir Zhang. A continuació, provarem aquesta hipòtesi utilitzant un ànode de silici per poder mitigar els efectes adversos associats als canvis de volum de silici. Controlant els factors incontrolables actuals, podem dissenyar elèctrodes de silici amb un millor rendiment.

Investigadors de la Universitat Estatal de Pennsilvània, juntament amb Zhang, van participar en aquest estudi, inclosos els estudiants de postgrau en enginyeria i mecànica Tianwu Chen i Dingchuan Xue. Altres investigadors inclouen Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin i Zhang Jiguang del Pacific Northwest National Laboratory; De ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan i TedTessner; Del Laboratori Nacional de Los Alamos, JinkyoungYoo. El Ministeri d'Energia i la National Science Foundation van donar suport a aquesta investigació.