ماهیچه آند سیلیکونی در فناوری باتری

سیلیکون جزء اصلی انقلاب دیجیتال است و سیگنال‌های زیادی را روی دستگاهی که' احتمالاً در همین لحظه فقط چند اینچ از چشمان شما فاصله دارد، جابجا می‌کند.

اکنون، همان مواد فراوان و ارزان در حال تبدیل شدن به یک نامزد جدی برای ایفای نقش بزرگ در تجارت رو به رشد باتری است. این'؛ به ویژه جذاب است زیرا'؛ قادر است 10 برابر بیشتر از گرافیت پرمصرف انرژی در بخش مهم باتری، آند، نگه دارد.

اما نه به این سرعت. در حالی که سیلیکون در بین دانشمندان شهرت متورم دارد، زمانی که' بخشی از باتری باشد، خود ماده متورم می شود. به قدری متورم می شود که آند پوسته پوسته می شود و ترک می خورد و باعث می شود باتری توانایی خود را برای نگه داشتن شارژ از دست بدهد و در نهایت از کار بیفتد.

اکنون دانشمندان برای اولین بار شاهد این فرآیند بوده‌اند، گامی مهم در جهت تبدیل سیلیکون به یک انتخاب مناسب که می‌تواند هزینه، عملکرد و سرعت شارژ باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی و همچنین تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ، ساعت‌های هوشمند و سایر ابزارها را بهبود بخشد.

& quot;بسیاری از مردم تصور کرده‌اند که چه اتفاقی می‌افتد، اما هیچ‌کس قبلاً آن را نشان نداده بود،" چونگمین وانگ، دانشمند در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام بخش انرژی' گفت. وانگ یکی از نویسندگان مقاله است که اخیراً در این مقاله منتشر شده استنانوتکنولوژی طبیعت

از آندهای سیلیکونی، فنجان های کره بادام زمینی و مسافران خطوط هوایی بسته بندی شده

یون های لیتیوم ارز انرژی در یک باتری لیتیوم یونی هستند که بین دو الکترود از طریق مایعی به نام الکترولیت به عقب و جلو حرکت می کنند. هنگامی که یون‌های لیتیوم وارد آند ساخته شده از سیلیکون می‌شوند، راه خود را به ساختار منظم وارد می‌کنند و اتم‌های سیلیکون را به سمت راست هل می‌دهند، مانند یک مسافر تنومند خطوط هوایی که در یک پرواز شلوغ روی صندلی وسط فشار می‌آورد. این"فشار لیتیوم" آند را تا سه یا چهار برابر اندازه اصلی خود متورم می کند.

وقتی یون‌های لیتیوم خارج می‌شوند، همه چیز به حالت عادی باز نمی‌گردد. فضاهای خالی معروف به جای خالی باقی می مانند. اتم‌های سیلیکون جابجا شده بسیاری از جای‌های خالی را پر می‌کنند، اما نه همه، مانند مسافرانی که وقتی مسافر میانی به سمت دستشویی می‌رود، به سرعت فضای خالی را پس می‌گیرند. اما یون‌های لیتیوم برمی‌گردند و دوباره راه خود را به داخل هل می‌دهند. این فرآیند زمانی تکرار می‌شود که یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد به جلو و عقب حرکت می‌کنند و فضاهای خالی در آند سیلیکون با هم ادغام می‌شوند و حفره‌ها یا شکاف‌هایی ایجاد می‌کنند. این شکاف ها به شکست باتری تبدیل می شوند.

دانشمندان سال‌ها از این فرآیند می‌دانستند، اما قبلاً'؛ دقیقاً شاهد این نبودند که چگونه منجر به خرابی باتری می‌شود. برخی این شکست را به از دست دادن سیلیکون و لیتیوم نسبت داده اند. برخی دیگر ضخیم شدن یک جزء کلیدی به نام اینترفاز الکترولیت جامد یا SEI را مقصر دانسته اند. SEI یک ساختار ظریف در لبه آند است که یک دروازه مهم بین آند و الکترولیت مایع است.

در آزمایش‌های خود، این تیم مشاهده کردند که جای خالی یون‌های لیتیوم در آند سیلیکون به شکاف‌های بزرگ‌تر و بزرگ‌تر تبدیل می‌شود. سپس مشاهده کردند که الکترولیت مایع مانند نهرهای کوچک در امتداد یک خط ساحلی به درون شکاف ها جریان می یابد و به سیلیکون نفوذ می کند. این جریان ورودی به SEI اجازه داد تا در مناطقی در داخل سیلیکون توسعه یابد، جایی که نباید'، یک مهاجم مولکولی در بخشی از باتری باشد، جایی که'

این باعث ایجاد مناطق مرده شد و توانایی سیلیکون برای ذخیره لیتیوم را از بین برد و آند را از بین برد.

به یک فنجان کره بادام زمینی به شکل بکر فکر کنید: شکلات بیرونی از کره بادام زمینی نرم داخل آن متمایز است. اما اگر آن را بیش از حد در دست خود نگه دارید، پوسته بیرونی آن نرم شده و با شکلات نرم داخل مخلوط می شود. شما'؛ با یک توده بی‌نظم باقی می‌مانید که ساختار آن به‌طور برگشت‌ناپذیر تغییر می‌کند. شما دیگر یک فنجان کره بادام زمینی واقعی ندارید. به همین ترتیب، پس از نفوذ الکترولیت و SEI به سیلیکون، دانشمندان دیگر آند قابل کار ندارند.

تیم شاهد این بود که این فرآیند بلافاصله پس از یک چرخه باتری شروع شد. پس از 36 چرخه، توانایی باتری' برای نگه داشتن شارژ به طور چشمگیری کاهش یافته بود. بعد از 100 سیکل آند خراب شد.

کشف وعده آندهای سیلیکونی

دانشمندان در حال کار بر روی راه هایی برای محافظت از سیلیکون در برابر الکترولیت هستند. چندین گروه، از جمله دانشمندان PNNL، در حال توسعه پوشش‌هایی هستند که به عنوان دروازه‌بان عمل می‌کنند و به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهند به داخل و خارج آند بروند و در عین حال دیگر اجزای الکترولیت را متوقف کنند.

دانشمندان چندین مؤسسه تخصص خود را برای انجام این کار ترکیب کردند. دانشمندان در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس نانوسیم های سیلیکونی مورد استفاده در این مطالعه را ایجاد کردند. دانشمندان PNNL با همتایان خود در Thermo Fisher Scientific برای اصلاح یک میکروسکوپ الکترونی عبوری برودتی برای کاهش آسیب الکترون‌های مورد استفاده برای تصویربرداری کار کردند. و دانشمندان دانشگاه پن استیت الگوریتمی را برای شبیه سازی عمل مولکولی بین مایع و سیلیکون ایجاد کردند.

در مجموع، این تیم از الکترون‌ها برای ساختن تصاویر با وضوح فوق‌العاده بالا از فرآیند استفاده کردند و سپس تصاویر را به‌صورت سه‌بعدی بازسازی کردند، مشابه روشی که پزشکان یک تصویر سه‌بعدی از اندام یا اندام بیمار' ایجاد می‌کنند.

& quot;این کار یک نقشه راه روشن برای توسعه سیلیکون به عنوان آند برای باتری با ظرفیت بالا ارائه می‌کند،" گفت وانگ.

در PNNL، این کار بخشی از یک برنامه تحقیقاتی گسترده است که آندهای سیلیکونی را بررسی می‌کند، از جمله مواد اصلی مانند پوشش‌ها، روش‌های جدید برای ساخت دستگاه‌ها و یک الکترولیت جدید که عمر باتری را افزایش می‌دهد.

علاوه بر وانگ، سایر نویسندگان PNNL مقاله عبارتند از یانگ هه، یاوبین ژو، هایپینگ جیا، ران یی، میائو سانگ، شیائولین لی (همچنین نویسنده مرتبط) و جی-گوانگ (جیسون) ژانگ.

منبع داستان:

موادتهیه شده توسطDOE / آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام. نوشته اصلی توسط تام ریکی.توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.