硅阳极肌肉在电池技术上

该图像显示在一个循环之后几乎完整的硅阳极,硅(绿色)明显地与固体电解质相互作用(氟,红色)的组分分离。
(图片由王崇民|太平洋西北国家实验室提供)

科学家们准确地展示了改善电池性能的有希望的方法是如何分解的。

硅是数字革命的主打产品,在此时此刻,它将信号负载分流到离眼睛只有几英寸远的设备上。

现在,同样丰富,廉价的材料正在成为蓬勃发展的电池业务中具有重要作用的严肃候选者。它特别有吸引力,因为它能够在电池的重要部分,阳极中容纳10倍,而不是广泛使用的石墨。

但不是那么快。虽然硅在科学家中具有膨胀声誉,但在它是电池的一部分时,材料本身就会膨胀。它膨胀了阳极薄片和裂缝,导致电池失去其持有电荷并最终失败的能力。

现在,科学家们首次见证了这一过程,这是让硅成为可行选择的重要一步,硅可以提高电动汽车电池的成本、性能和充电速度手机、笔记本电脑、智能手表和其他小玩意。

能源部西北太平洋国家实验室的科学家王崇民说:“很多人都想象过会发生什么,但以前没有人真正证明过。”。王是这篇文章的通讯作者,最近发表在自然纳米技术。

硅阳极,花生酱杯和拥挤的飞机乘客

锂离子是锂离子电池中的能量货币,通过称为电解质的两个电极之间来回行驶。当锂离子进入硅制成的阳极时,它们肌肉进入有序的结构,推动硅原子歪斜,就像一个粗暴的航空公司乘客挤进填充飞行中的中间座位。这种“锂挤压”使阳极膨胀至其原始尺寸的三个或四倍。

当锂离子离开时,一切都不会恢复正常。空缺仍然存在。被取代的硅原子填补了许多空位,但不是全部,就像当中间的乘客去洗手间时,乘客很快就会把空位夺回来。但锂离子又回来了,再次推进。当锂离子在阳极和阴极之间来回移动时,这个过程就会重复进行,硅阳极中的空白区域会合并形成空隙或缝隙。这些间隙会导致电池失效。

科学家多年来一直以此进程所知,但他们之前没有精确见证它会如何导致电池故障。有些人将失败归因于硅和锂的损失。其他人已归咎于称为固体电解质相互作用或SEI的关键组分的增厚。SEI是阳极边缘的精细结构,其是阳极和液体电解质之间的重要网关。

在实验中,研究小组观察到硅阳极中锂离子留下的空位逐渐演变成越来越大的缺口。然后,他们观察到液体电解质像沿着海岸线的小河流一样流入缝隙,渗入硅。这种流入允许SEI在硅内部的区域发展,在那里它不应该是,一个分子入侵者在电池的一部分,它不属于。

这创造了死区,摧毁了硅存储锂并破坏阳极的能力。

想到原始形状的花生酱杯:外面的巧克力与里面的软花生酱不同。但如果你的手中握住它太长,夹持太紧,外壳软化并用软巧克力混合在内。你留下了一个单一无序的质量,其结构不可逆转地改变。你不再有一个真正的花生酱杯。同样,在电解质和SEI渗透硅后,科学家不再具有可行的阳极。

该团队见证了这一过程在一次电池循环后立即开始。36次循环后,电池的充电能力急剧下降。100次循环后,阳极损坏。

探索硅阳极的前景

科学家正在努力保护硅的硅保护。包括PNNL的科学家在内的几个群体是开发涂层,旨在充当守门人,允许锂离子在停止电解质的其他部件的同时进出阳极。

来自若干机构的科学家们汇集了他们的专业知识来完成工作。Los Alamos国家实验室的科学家创造了该研究中使用的硅纳米线。PNNL科学家与Thermo Fisher Scientific的同行合作,改变了低温透射电子显微镜,以减少用于成像的电子的损坏。而宾州州立大学科学家开发了一种模拟液体和硅之间的分子作用的算法。

总之,研究小组使用电子制作了这个过程的超高分辨率图像,然后以3D方式重建图像,类似于医生创建患者肢体或器官的3D图像。

“这项工作为开发高容量电池的阳极硅提供了一个清晰的路线图,”王说。

在PNNL,这项工作是广泛的一部分探索硅阳极的研究计划包括涂层等原始材料,制造设备的新方法,以及增加电池寿命的新电解质。

除了王某,其他pnnl作者这篇论文包括何杨、徐耀斌、贾海平、易然、宋淼、李晓琳(通讯作者)和张继广。

太平洋国家实验室的部分工作是由美国能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室资助的。美国国家科学基金会也支持这项研究。部分工作是在美国能源部科学办公室的两个用户设施完成的:LANL的综合纳米技术中心,在那里科学家们创造了用于研究的硅纳米线,以及PNNL的环境分子科学实验室,在那里研究人员进行显微镜观察并记录分子间的相互作用。

太平洋西北国家实验室借鉴其区分优势化学地球科学生物学数据科学推进科学知识和解决挑战可持续能源国家安全.PNNL成立于1965年,由巴特尔管理,隶属于美国能源部科学办公室,该办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者。能源部的科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请访问太平洋西北国家实验室的新闻中心. 跟我们走推特FacebookLinkedInInstagram.

日报:自然纳米技术
内政部:10.1038 / s41565 - 021 - 00947 - 8
研究方法:影像学分析
研究主题:不适用
文章标题:固体电解质的逐步增长对SI阳极内部的差异导致能力衰落
文章出版日期:29-x-2021

媒体接触

汤姆里基
能源部/太平洋西北国家实验室
tom.rickey@pnnl.gov.
办公室:509-375-3732

www.pnnl.gov.

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