Akü Teknolojisinde Silikon Anot Kası

Silikon, dijital devrimin temel unsurudur ve şu anda büyük olasılıkla gözlerinizden sadece birkaç santim uzakta olan bir cihaza bir sürü sinyal gönderir.

Şimdi, aynı bol, ucuz malzeme, gelişen pil işinde büyük bir rol için ciddi bir aday haline geliyor.' özellikle çekici çünkü' bir pilin önemli bir parçası olan anotta, yaygın olarak kullanılan grafitten 10 kat daha fazla enerji tutabiliyor.

Ama o kadar hızlı değil. Silikon bilim adamları arasında iyi bir üne sahip olsa da, malzemenin kendisi bir pilin parçası olduğunda şişer. O kadar şişer ki anot pul pul dökülür ve çatlar, bu da pilin şarj tutma yeteneğini kaybetmesine ve nihayetinde arızalanmasına neden olur.

Şimdi bilim adamları, elektrikli araçların yanı sıra cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, akıllı saatler ve diğer cihazlar için pillerin maliyetini, performansını ve şarj hızını artırabilecek silikonu uygulanabilir bir seçim haline getirme yolunda önemli bir adım olan sürece ilk kez tanık oldular.

& quot;Birçok insan neler olabileceğini hayal etti ama kimse bunu daha önce göstermedi," Enerji's Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı'nda bir bilim adamı olan Chongmin Wang dedi. Wang, yakın zamanda yayınlanan makalenin ilgili bir yazarıdır.Doğa Nanoteknoloji.

Silikon anotlar, fıstık ezmesi kapları ve paketlenmiş havayolu yolcuları

Lityum iyonları, bir lityum iyon pildeki enerji para birimidir ve elektrolit adı verilen sıvı aracılığıyla iki elektrot arasında ileri geri hareket eder. Lityum iyonları silikondan yapılmış bir anoda girdiklerinde, düzenli yapıya doğru kasılırlar ve dolu bir uçuşta orta koltuğa sıkışan sağlam bir havayolu yolcusu gibi silikon atomlarını çarpık bir şekilde iterler. Bu"lityum sıkma" anodu orijinal boyutunun üç veya dört katına kadar şişirir.

Lityum iyonları ayrıldığında işler normale dönmez. Boş pozisyonlar olarak bilinen boş alanlar kalır. Yer değiştirmiş silikon atomları, ortadaki yolcu tuvalete gittiğinde boş alanı hızla geri alan yolcular gibi, boşlukların çoğunu doldurur, ancak hepsini doldurmaz. Ancak lityum iyonları geri dönerek yollarını tekrar zorlar. Lityum iyonları anot ve katot arasında ileri geri hareket ederken ve silikon anottaki boş alanlar boşluklar veya boşluklar oluşturmak üzere birleştikçe süreç tekrarlanır. Bu boşluklar pil arızasına dönüşür.

Bilim adamları bu süreci yıllardır biliyorlardı, ancak daha önce' bunun pil arızasına nasıl yol açtığına tam olarak tanık olmadılar. Bazıları başarısızlığı silikon ve lityum kaybına bağladı. Diğerleri, katı-elektrolit ara fazı veya SEI olarak bilinen önemli bir bileşenin kalınlaşmasını suçladı. SEI, anot ile sıvı elektrolit arasında önemli bir geçit olan anotun kenarındaki hassas bir yapıdır.

Ekip, deneylerinde silikon anotta lityum iyonlarının bıraktığı boşlukların giderek daha büyük boşluklara dönüştüğünü izledi. Sonra sıvı elektrolitin bir kıyı şeridi boyunca küçük perçinler gibi boşluklara akarak silikonun içine sızmasını izlediler. Bu akış, SEI'nin silikon içinde olması gereken'olmaması gereken alanlarda, pilin ait olmadığı bir bölümünde moleküler bir istilacı't gelişmesine izin verdi.

Bu, silikonun lityum depolama kabiliyetini yok ederek ve anodu mahveden ölü bölgeler yarattı.

Bozulmamış bir fıstık ezmesi kabı düşünün: Dıştaki çikolata, içindeki yumuşak fıstık ezmesinden farklıdır. Ancak çok sıkı bir şekilde elinizde çok uzun süre tutarsanız, dış kabuk yumuşar ve içindeki yumuşak çikolata ile karışır. Sen'yapısı geri dönülmez şekilde değişen tek bir düzensiz kütle ile kaldın. Artık gerçek bir fıstık ezmesi fincanınız yok. Benzer şekilde, elektrolit ve SEI silikona sızdıktan sonra, bilim adamlarının artık uygulanabilir bir anotları yoktur.

Ekip, bu sürecin yalnızca bir pil döngüsünden hemen sonra başladığına tanık oldu. 36 döngüden sonra pilin'un şarj tutma yeteneği önemli ölçüde düşmüştü. 100 döngüden sonra anot bozuldu.

Silikon anotların vaadini keşfetmek

Bilim adamları, silikonu elektrolitten korumanın yolları üzerinde çalışıyorlar. PNNL'deki bilim adamları da dahil olmak üzere birçok grup, elektrolitin diğer bileşenlerini durdururken lityum iyonlarının anoda girip çıkmasına izin veren kapı bekçileri olarak işlev görmek üzere tasarlanmış kaplamalar geliştiriyor.

Çeşitli kurumlardan bilim adamları, işi yapmak için uzmanlıklarını bir araya getirdi. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim adamları, çalışmada kullanılan silikon nanotelleri yarattı. PNNL bilim adamları, görüntüleme için kullanılan elektronlardan gelen hasarı azaltmak için bir kriyojenik transmisyon elektron mikroskobunu değiştirmek için Thermo Fisher Scientific'teki meslektaşlarıyla birlikte çalıştı. Ve Penn State Üniversitesi bilim adamları, sıvı ve silikon arasındaki moleküler eylemi simüle etmek için bir algoritma geliştirdiler.

Toplamda ekip, sürecin ultra yüksek çözünürlüklü görüntülerini yapmak için elektronları kullandı ve ardından görüntüleri 3 boyutlu olarak yeniden yapılandırdı, tıpkı doktorların bir hastanın' uzuv veya organının 3 boyutlu görüntüsünü oluşturmasına benzer.

& quot;Bu çalışma, yüksek kapasiteli bir pil için anot olarak silikon geliştirmek için net bir yol haritası sunuyor," dedi Wang.

PNNL'deki çalışma, kaplamalar gibi orijinal malzemeler, cihazları üretmenin yeni yolları ve pil ömrünü artıran yeni bir elektrolit de dahil olmak üzere silikon anotları araştıran geniş bir araştırma programının parçası.

Wang'a ek olarak, makalenin diğer PNNL yazarları arasında Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (ayrıca ilgili bir yazar) ve Ji-Guang (Jason) Zhang yer alıyor.

Hikaye Kaynağı:

Malzemelertarafından sunulanDOE/Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı. Orijinali Tom Rickey tarafından yazılmıştır.Not: İçerik, stil ve uzunluk açısından düzenlenebilir.