Ang nanostructure ng silicon anode ay lumilikha ng isang bagong potensyal para sa mga baterya ng lithium-ion

May-akda

Sa silid 1, ang mga nanoparticle na gawa sa tantalum metal ay lumago. Sa loob ng silid na ito, magkakasama ang mga indibidwal na atom ng tantalum, tulad ng pagbuo ng mga patak ng ulan. Sa silid 2 ang mga nanoparticle ay sinala ng masa, tinatanggal ang masyadong malaki o maliit. Ang isang silid ng mga nanoparticle ay idineposito sa kamara 3. Ang layer na ito pagkatapos ay “sprayed” na may nakahiwalay na mga atom ng silikon upang mabuo ang silikon. Ang prosesong ito ay maaaring ulitin upang lumikha ng isang multi-layered na istraktura. May-akda: Scheme na nilikha ni Pavel Puchenkov, Kagawaran ng Scientific Computing at Data Analysis OIST

Natuklasan ng mga siyentista ang isang bagong nanostructure na maaaring baguhin ang teknolohiya sa mga baterya at iba pa.

  • Ang bagong pananaliksik ay natagpuan ang isang nanostructure na nagpapabuti sa anode sa mga baterya ng lithium-ion
  • Sa halip na gumamit ng grapayt para sa anod, ang mga mananaliksik ay lumipat sa silikon: isang materyal na pinapanatili ang higit na singil ngunit sensitibo sa layer rupture
  • Ang koponan ay gumawa ng isang silicon anode sa pamamagitan ng paglalapat ng mga atom ng silikon sa mga nanoparticle ng metal
  • Ang mga nagresultang nanostructure ay bumubuo ng mga arko, na nagdaragdag ng lakas at integridad ng istruktura ng anode
  • Ipinakita ng mga pagsusuri sa electrochemical na ang mga baterya ng lithium-ion na may pinahusay na mga anode ng silikon ay may mas mataas na kapasidad sa pagsingil at mas mahabang buhay.

Ang isang bagong pag-aaral ng Okin Institute of Science and Technology (OIST) ay nakilala ang isang tukoy na bloke ng gusali na nagpapabuti sa anode sa mga baterya ng lithium-ion. Ang mga natatanging katangian ng istraktura, na itinayo gamit ang nanoparticle na teknolohiya, ay isiniwalat at ipinaliwanag ngayon (Pebrero 5, 2021) sa Mga materyales sa komunikasyon.

Ang mga malakas, portable at rechargeable na baterya ng lithium-ion ay mahalagang bahagi ng modernong teknolohiya na matatagpuan sa mga smartphone, laptop at electric car. Sa 2019, ang kanilang potensyal na baguhin ang paraan ng pag-iimbak at pagkonsumo ng enerhiya sa hinaharap sa pamamagitan ng paglayo mula sa mga fossil fuel ay kinilala, at ang Nobel Prize ay iginawad sa isang bagong miyembro ng OIST Board of Directors, Dr. Akira Yoshin para sa kanyang trabaho sa pagbuo ng mga baterya ng lithium-ion.

Ayon sa kaugalian, ginagamit ang grapayt para sa anod ng isang baterya ng lithium-ion, ngunit ang materyal na carbon na ito ay may matinding limitasyon.

“Kapag ang isang baterya ay sisingilin, ang mga lithium ions ay pinilit na ilipat mula sa isang gilid ng baterya – ang cathode – sa pamamagitan ng solusyon sa electrolyte sa kabilang bahagi ng baterya – ang anode. Pagkatapos, kapag ginamit ang baterya, ang mga lithium ions ay inililipat pabalik sa katod, at isang kasalukuyang kuryente ay pinakawalan mula sa baterya, “paliwanag ni Dr. Martha Haro, isang dating mananaliksik ng OIST at ang unang may-akda ng pag-aaral. “Ngunit sa mga anode ng grapayt, kailangan ng anim na carbon atoms upang maiimbak ang isang lithium ion, kaya’t ang density ng enerhiya ng mga baterya na ito ay mababa.”

Kasalukuyang pinag-aaralan ng agham at industriya ang paggamit ng mga baterya ng lithium-ion upang mapagana ang mga de-koryenteng sasakyan at spacecraft, kaya’t napakahalaga ng pagpapabuti ng density ng enerhiya. Ngayon ang mga mananaliksik ay naghahanap ng mga bagong materyales na maaaring dagdagan ang dami ng mga lithium ions na nakaimbak sa anode.

Ang isa sa mga pinaka-promising na kandidato ay ang silikon, na maaaring magbuklod ng apat na mga ion ng lithium sa bawat silikon atomo.

Mga yugto ng paglago ng silicon film at lakas ng mekanikal

Sa unang yugto, ang pelikula ng silikon ay umiiral bilang isang matatag ngunit nanginginig na istraktura ng haligi. Sa pangalawang yugto, ang mga haligi ay hawakan sa tuktok, na bumubuo ng isang naka-vault na istraktura, malakas dahil sa may arko na aksyon. Sa ikatlong yugto, ang karagdagang pagdeposito ng mga atom ng silikon ay humahantong sa isang spongy na istraktura. Ipinapakita ng mga pulang linya na putol kung paano bumubuo ang silikon kapag nahantad sa puwersa. May-akda: Scheme nilikha ni Dr. Panayotis Gramatikopoulos, OIST nanoparticles mula sa Design Department at ng Particle Technology Laboratory, ETH Zurich

“Ang mga anode ng silikon ay maaaring makaipon ng sampung beses na higit na singil sa isang naibigay na dami kaysa sa mga anode ng grapayt – isang pagkakasunud-sunod ng lakas na mas mataas sa mga tuntunin ng lakas ng enerhiya,” sinabi ni Dr. Haro. “Ang problema ay kapag lumipat ang mga ion ng lithium sa anode, ang pagbabago sa dami ay malaki, hanggang sa halos 400%, na humahantong sa pagkasira at pagkasira ng elektrod.”

Ang isang malaking pagbabago sa dami ay nakakagambala rin sa matatag na pagbuo ng isang proteksiyon layer na nakahiga sa pagitan ng electrolyte at ng anode. Samakatuwid, sa tuwing sisingilin ang isang baterya, ang layer na ito ay dapat na patuloy na reporma, gamit ang isang limitadong supply ng mga lithium ions at pagpapaikli sa buhay at muling pag-recharge ng baterya.

“Ang aming layunin ay upang subukan na lumikha ng isang mas malakas na anode na may kakayahang mapaglabanan ang mga stress, na maaaring tumanggap ng mas maraming lithium hangga’t maaari at magbigay ng maraming mga cycle ng pagsingil hangga’t maaari upang lumala,” sabi ni Dr. Gramatikapoulos, nakatatandang may-akda ng artikulo. “At lumapit kami sa paglikha ng isang istraktura gamit ang mga nanoparticle.”

Sa isang nakaraang papel na nai-publish noong 2017 Advanced science, ang natunaw na mga nanoparticle ng OIST mula sa Disenyo ng Unit ay bumuo ng isang layered na cake-tulad ng istraktura kung saan ang bawat layer ng silikon ay na-sandwich sa pagitan ng mga metalikong tantalum nanoparticle. Pinagbuti nito ang integridad ng istruktura ng silicon anode sa pamamagitan ng pagpigil sa labis na pamamaga.

Ang pag-eksperimento sa iba’t ibang kapal ng layer ng silikon upang malaman kung paano ito nakakaapekto sa nababanat na mga katangian ng materyal, napansin ng mga mananaliksik ang isang kakaibang bagay.

“Sa isang tiyak na kapal ng layer ng silikon, may isang punto kung saan ang nababanat na mga katangian ng istraktura ay ganap na nagbago,” sabi ni Theo Bulumis, isang kasalukuyang mag-aaral na nagtapos ng OIST na nagsagawa ng eksperimento. “Ang materyal ay unti-unting naging matigas, ngunit pagkatapos ay mabilis na nabawasan sa katigasan habang ang kapal ng layer ng silikon ay karagdagang nadagdagan. Mayroon kaming ilang mga ideya, ngunit sa oras na hindi namin alam ang pangunahing sanhi ng mga pagbabagong ito. “

Ngayon ang bagong gawaing ito sa wakas ay nagbibigay ng isang paliwanag para sa biglaang pagtalon sa kawalang-kilos sa isang kritikal na kapal.

Gamit ang mga pamamaraan ng microscopy at simulation ng computer sa antas ng atomic, ipinakita ng mga mananaliksik na habang ang mga atom ng silikon ay inilalapat sa layer ng mga nanoparticle, hindi sila bumubuo ng isang makinis at magkatulad na pelikula. Sa halip, bumubuo sila ng mga haligi sa anyo ng mga baligtad na kono na lumalaki nang mas malawak at mas malawak habang maraming mga atom ng silikon ang idineposito. Sa paglaon ang mga indibidwal na mga haligi ng silikon ay hawakan ang bawat isa, na bumubuo ng isang vault na istraktura.

“Ang baluktot na istraktura ay malakas, pati na rin ang arko sa konstruksyon,” sinabi ni Dr. Gramatikapoulos. “Ang parehong konsepto ay nalalapat lamang sa isang nanoscale.”

Mahalagang tandaan na ang tumaas na lakas ng istruktura ay sumabay din sa pagtaas ng pagganap ng baterya. Kapag nagsagawa ang mga siyentista ng mga electrochemical test, nalaman nila na ang baterya ng lithium-ion ay tumaas ang kapasidad sa pagsingil. Ang proteksiyon layer ay mas matatag din, nangangahulugang ang baterya ay makatiis ng higit pang mga cycle ng singil.

Ang mga pagpapahusay na ito ay sinusunod lamang kapag nag-ugnay ang mga haligi. Bago maganap ang puntong ito, ang mga indibidwal na mga haligi ay nag-oscillate at samakatuwid ay hindi masiguro ang integridad ng istruktura ng anode. At kapag nagpatuloy ang pagtitiwalag ng silicon matapos hawakan ang mga nagsasalita, lumilikha ito ng isang porous film na may maraming mga void, na humahantong sa mahina, tulad ng sponge na pag-uugali.

Ang pagsisiwalat ng naka-vault na istraktura at kung paano ito nakakakuha ng natatanging mga katangian ay hindi lamang isang mahalagang hakbang patungo sa gawing pangkalakalan ng mga silicon anode sa mga baterya ng lithium-ion, ngunit mayroon ding maraming iba pang mga potensyal na pagkakataon sa materyal na agham.

“Ang vaulted na istraktura ay maaaring magamit kung ang malalakas na materyales na may kakayahang makatiis ng iba’t ibang mga karga ay kinakailangan, halimbawa, para sa bioimplantation o para sa pag-iimbak ng hydrogen,” sabi ni Dr. Gramatikopoulos. “Ang eksaktong uri ng materyal na kailangan mo – mas malakas o malambot, mas may kakayahang umangkop o hindi gaanong nababaluktot – ay maaaring gawin nang eksakto sa pamamagitan lamang ng pagbabago ng kapal ng layer. Iyon ang kagandahan ng mga nanostruktura. “

Impormasyon: Pebrero 5, 2021, Mga materyales sa komunikasyon.
DOI: 10.1038 / s43246-021-00119-0

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang paglulunsad ng NASA Walnops rocket ay makikita sa East America

Mapa ng visibility ng Kinnet-X. Kredito: NASA A. Mission upang tuklasin ang transportasyon sa kalawakan gamit ang enerhiya a NASA Ang rocket na tunog...

Bakit kaya mahirap magamot ang COVID-19? Isang Komprehensibong Pagsuri sa Alam Namin

Lumalagong Mga Punto ng Katibayan ng Hindi Karaniwang Nakakahawang Profile Isang komprehensibong pagsusuri ng alam namin COVID-19 at kung paano ito gumagana ay nagmumungkahi na...

Nakikita ng NASA ang mga alon sa ibabaw ng dagat [Video]

Ang mga alon sa loob, o mga papasok na alon, ay maaaring umabot ng daan-daang mga paa sa ibaba ng ibabaw ng karagatan, ngunit...

Mga Kamangha-manghang Dinosauro na Naghahanap ng Kadiliman

Muling pagbuo ng Shuvuuia deserti artist. Kredito: Viktor Radermaker Ang maliit na dinosauro na nakatira sa disyerto ng Shuvuuia ay may natatanging paningin at...

Ang “Molecular glue” ay nagdaragdag ng kahusayan at ginagawang mas maaasahan ang pereskite solar cells sa paglipas ng panahon

Ginamit ng mga mananaliksik ang self-assemble na solong-layer na "molekular na pandikit" upang patigasin ang mga interface sa pereskite solar cells upang gawing mas...

Newsletter

Subscribe to stay updated.