שריר אנודות סיליקון בטכנולוגיית סוללה

סיליקון הוא מרכיב עיקרי במהפכה הדיגיטלית, ומרחף המון אותות במכשיר שסביר להניח שסנטימטרים מהעיניים שלך ברגע זה ממש.

כעת, אותו חומר בשפע וזול הופך למועמד רציני לתפקיד גדול בעסקי המצברים המתפתחים. זה' אטרקטיבי במיוחד מכיוון שהוא' מסוגל להחזיק פי 10 יותר אנרגיה בחלק חשוב של הסוללה, האנודה, מאשר גרפיט בשימוש נרחב.

אבל לא כל כך מהר. בעוד לסיליקון יש מוניטין מתנפח בקרב מדענים, החומר עצמו מתנפח כאשר הוא' חלק מהסוללה. הוא מתנפח עד כדי כך שהאנודה מתקלפת ונסדקת, מה שגורם לסוללה לאבד את יכולתה להחזיק טעינה ובסופו של דבר להיכשל.

כעת מדענים היו עדים לתהליך בפעם הראשונה, צעד חשוב לקראת הפיכת הסיליקון לבחירה מעשית שיכולה לשפר את העלות, הביצועים ומהירות הטעינה של סוללות לרכבים חשמליים כמו גם טלפונים סלולריים, מחשבים ניידים, שעונים חכמים וגאדג'טים אחרים.

& quot;אנשים רבים דמיינו מה עלול לקרות אבל אף אחד לא באמת הוכיח זאת קודם," אמר צ'ונגמין וואנג, מדען במעבדה הלאומית של מחלקת האנרגיה' וואנג הוא מחבר מקביל של המאמר שפורסם לאחרונה בטבע ננוטכנולוגיה.

של אנודות סיליקון, כוסות חמאת בוטנים ונוסעי חברת תעופה ארוזים

יוני ליתיום הם מטבע האנרגיה בסוללת ליתיום-יון, הנוסע הלוך ושוב בין שתי אלקטרודות דרך נוזל הנקרא אלקטרוליט. כאשר יוני ליתיום נכנסים לאנודה העשויה מסיליקון, הם פוסלים את דרכם אל המבנה המסודר, דוחפים את אטומי הסיליקון לאחור, כמו נוסע חסון בחברת תעופה שנדחס למושב האמצעי בטיסה עמוסה."ליטיום לסחוט" גורם לאנודה להתנפח פי שלושה או ארבעה מגודלה המקורי.

כאשר יוני הליתיום עוזבים, הדברים אינם חוזרים לקדמותם. נותרו חללים ריקים הידועים כמקומות פנויים. אטומי סיליקון שנעקרו ממלאים רבים, אך לא את כולם, מהמקומות הפנויים, כמו נוסעים שמחזירים במהירות את החלל הריק כאשר הנוסע האמצעי פונה לשירותים. אבל יוני הליתיום חוזרים, דוחפים את דרכם פנימה שוב. התהליך חוזר על עצמו כאשר יוני הליתיום מסתובבים קדימה ואחורה בין האנודה לקתודה, והחללים הריקים באנודת הסיליקון מתמזגים ויוצרים חללים או מרווחים. פערים אלה מתורגמים לכשל בסוללה.

מדענים יודעים על התהליך במשך שנים, אבל הם לא היו עדים לפני כן כיצד הוא גורם לכשל בסוללה. יש מי שייחסו את הכישלון לאובדן הסיליקון והליתיום. אחרים האשימו את העיבוי של רכיב מפתח המכונה interphase מוצק-אלקטרוליט או SEI. ה-SEI הוא מבנה עדין בקצה האנודה המהווה שער חשוב בין האנודה לאלקטרוליט הנוזלי.

בניסויים שלו, הצוות צפה במקומות הפנויים שהותירו יוני ליתיום באנודת הסיליקון התפתחו למרווחים גדולים יותר ויותר. אחר כך הם צפו איך האלקטרוליט הנוזלי זורם לתוך הרווחים כמו פלגים זעירים לאורך קו החוף, חודר לסיליקון. זרימה זו אפשרה ל-SEI להתפתח באזורים בתוך הסיליקון שבהם הוא לא אמור' להיות פולש מולקולרי בחלק מהסוללה שבו הוא לא שייך.

זה יצר אזורים מתים, הרס את היכולת של הסיליקון לאחסן ליתיום והרס את האנודה.

חשבו על גביע חמאת בוטנים בצורה בתולית: השוקולד שבחוץ נבדל מחמאת הבוטנים הרכה שבתוכו. אבל אם אתה מחזיק אותו ביד יותר מדי זמן עם אחיזה הדוקה מדי, הקליפה החיצונית מתרככת ומתערבבת עם השוקולד הרך שבתוכו. אתה' נשארת עם מסה אחת לא מסודרת שהמבנה שלה משתנה באופן בלתי הפיך. כבר אין לך כוס חמאת בוטנים אמיתית. כמו כן, לאחר שהאלקטרוליט וה-SEI חודרים לסיליקון, למדענים אין עוד אנודה ניתנת לעבודה.

הצוות היה עד לתהליך זה מתחיל מיד לאחר מחזור סוללה אחד בלבד. לאחר 36 מחזורים, יכולתה של הסוללה' להחזיק טעינה ירדה באופן דרמטי. לאחר 100 מחזורים, האנודה נהרסה.

בחינת ההבטחה של אנודות סיליקון

מדענים עובדים על דרכים להגן על הסיליקון מהאלקטרוליט. מספר קבוצות, כולל מדענים ב-PNNL, מפתחות ציפויים המיועדים לפעול כשומרי סף, המאפשרים ליוני ליתיום להיכנס ולצאת מהאנודה תוך עצירת רכיבים אחרים של האלקטרוליט.

מדענים מכמה מוסדות איגדו את המומחיות שלהם כדי לבצע את העבודה. מדענים במעבדה הלאומית של לוס אלמוס יצרו את ננו-חוטי הסיליקון ששימשו במחקר. מדעני PNNL עבדו יחד עם עמיתים ב-Thermo Fisher Scientific כדי לשנות מיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת קריוגני כדי להפחית את הנזק מהאלקטרונים המשמשים להדמיה. ומדענים מאוניברסיטת פן סטייט פיתחו אלגוריתם כדי לדמות את הפעולה המולקולרית בין הנוזל לסיליקון.

בסך הכל, הצוות השתמש באלקטרונים כדי ליצור תמונות ברזולוציה גבוהה במיוחד של התהליך ולאחר מכן שיחזר את התמונות בתלת-ממד, בדומה לאופן שבו רופאים יוצרים תמונה תלת-ממדית של איבר או איבר של מטופל'.

& quot;עבודה זו מציעה מפת דרכים ברורה לפיתוח סיליקון כאנודה לסוללה בעלת קיבולת גבוהה," אמר וואנג.

ב-PNNL, העבודה היא חלק מתוכנית מחקר רחבה החוקרת אנודות סיליקון, כולל חומרים מקוריים כמו ציפויים, דרכים חדשות לייצור המכשירים ואלקטרוליט חדש שמגדיל את חיי הסוללה.

בנוסף ל-Wang, מחברי PNNL אחרים של המאמר כוללים את יאנג הי, יאובין שו, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (גם הוא מחבר מקביל) וג'י-גואנג (ג'ייסון) ג'אנג.

מקור הסיפור:

חומריםהמסופק על ידיDOE/Pacific Northwest National Laboratory. מקור נכתב על ידי טום ריקי.הערה: ניתן לערוך את התוכן לפי הסגנון והאורך.