Nieuwe methode om de degradatie van siliciumanoden in beeld te brengen, kan leiden tot betere batterijen

Een nieuwe methode om de structurele en chemische evolutie van silicium te karakteriseren en een dunne laag die de stabiliteit van de batterij bepaalt, kan volgens een groep onderzoekers helpen bij het oplossen van problemen die het gebruik van silicium voor batterijen met een hoge capaciteit verhinderen.

Het onderzoek richt zich op het grensvlak van de anode, een negatieve elektrode, en de elektrolyt, waardoor de lading kan bewegen tussen de anode en de andere elektrode, de kathode. Een vaste-elektrolyt interfase (SEI) laag vormt zich gewoonlijk op het oppervlak van een elektrode tussen de vaste elektrode en de vloeibare elektrolyt en is van vitaal belang voor de elektrochemische reactie in batterijen, samen met het regelen van de stabiliteit van de batterij. Het gebruik van silicium als anode zou een betere oplaadbare batterij mogelijk maken.

“In de afgelopen 10 jaar heeft silicium veel aandacht getrokken als een negatieve elektrode met hoge capaciteit voor oplaadbare batterijen”, zegt Sulin Zhang, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica en bio-engineering. “De huidige gecommercialiseerde batterijen gebruiken grafiet als anodemateriaal, maar de capaciteit van silicium is ongeveer 10 keer die van grafiet. Hierdoor zijn er tientallen miljoenen, honderden miljoenen dollars geïnvesteerd in onderzoek naar siliciumbatterijen.”

Dit is goed nieuws voor een samenleving die haar infrastructuur wil elektrificeren met elektrische voertuigen en krachtige draagbare elektronica, maar er is een uitdaging. Tijdens het opladen en ontladen van de batterij zet het siliciumvolume uit en krimpt het, waardoor het siliciummateriaal barst en de SEI steeds weer afbrokkelt en regenereert. Dit leidt tot verlies van elektrisch contact en verslechtering van de capaciteit, de hoeveelheid lading die door de batterij wordt opgeslagen.

Inzicht in hoe dit proces zich zowel structureel als chemisch ontvouwt, is van vitaal belang voor het oplossen van het probleem.

“Omdat de stabiliteit van deze laag de stabiliteit van de batterij regelt, wil je niet dat deze ongecontroleerd groeit, omdat de creatie van deze laag zowel elektrolytmateriaal als actief lithium zal verbruiken,” zei Zhang. “En dit kan leiden tot het opdrogen van elektrolyten en verlies van actieve materialen, dus je hebt een negatief effect op de batterijprestaties.”

De grote uitdaging die Zhang en zijn team aangingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie, dit proces kon observeren, karakteriseren en begrijpen.

“De SEI-laag is zo cruciaal voor de batterij”, zei Zhang. “Maar het is erg dun, onzichtbaar voor optische microscopen en evolueert dynamisch tijdens de batterijcyclus. Het zou toegankelijk kunnen zijn voor een transmissie-elektronenmicroscoop die kan worden gebruikt voor zeer dunne materialen op nanoschaal. Maar voor een SEI is deze laag vrij zacht en gemakkelijk vernietigd op de elektronenstralen omdat je veel elektronen moet sturen om een ​​beeld met hoge resolutie van de materiële componenten te krijgen.”

Om dit te ondervangen, gebruikten de onderzoekers cryogene scanning transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-STEM). Ze hielden de gecycleerde elektrodematerialen bij cryogene temperaturen tijdens voorbereiding en beeldvorming met een cryo-STEM-microscoop om monsterbeschadiging door de elektronenstraal te minimaliseren. Bovendien integreerden ze gevoelige elementaire tomografie voor 3D-beeldvorming en een geavanceerd algoritme dat is ontworpen om beelden vast te leggen met een lagere elektronendosis. Deze techniek maakte een 3D-weergave mogelijk van de SEI-siliciuminteractie, genomen na verschillende aantallen batterijcycli.

“Het unieke aspect van onze methode is de cryo-STEM-beeldvorming en meervoudige fysieke procesmodellering,” zei Zhang. “We kunnen de evolutie van het silicium en SEI visualiseren na het cyclisch lopen van de batterij; parallel kunnen we het hele microstructurele evolutieproces tijdens het fietsen recapituleren met behulp van computationele simulaties. Dat is de nieuwigheid van dit onderzoek.”

Het werk van het team heeft geleid tot een beter begrip van de mechanismen die de groei en instabiliteit van de SEI-laag in een siliciumanode veroorzaken.

“Dus, met het begrip van het groeimechanisme van de SEI-laag, zal dat ons veel inzicht geven in hoe we de prestaties van de siliciumanode of het batterijontwerp kunnen verbeteren”, zei Zhang. “Dan kunnen we een robuustere siliciumanode maken voor de volgende generatie lithiumbatterijen.”

Deze volgende generatie lithiumbatterijen zou meerdere voordelen bieden voor zowel de industrie als de gemiddelde consument, legde hij uit.

“Silicium is zeer overvloedig en als we silicium als anode met een lange levensduur kunnen gebruiken, zullen we de capaciteit van een oplaadbare batterij drastisch vergroten”, zei Zhang. “En omdat silicium in overvloed aanwezig is, zal dat de prijs van batterijen doen dalen.”

Gewapend met het kritische begrip van de evolutie van de SEI-laag tijdens het opladen en ontladen in een batterij met een siliciumanode, zei Zhang dat de volgende stap die kennis zal gebruiken om een ​​siliciumanodebatterij te ontwerpen die geen capaciteit verliest tijdens het fietsen.

“Met het begrip van het onderliggende mechanisme, is de volgende stap het produceren van een wetenschappelijke hypothese,” zei Zhang. “En dan gaan we deze hypothese testen met siliciumanoden, zodat we het schadelijke effect van de volumeverandering van silicium kunnen verminderen. Door het momenteel oncontroleerbare te beheersen, kunnen we een siliciumelektrode ontwerpen met betere prestaties.”

Naast Zhang zijn onder meer onderzoekers van Penn State betrokken bij het onderzoek Tianwu Chen en Dingchuan Xue, afgestudeerde studenten in technische wetenschappen en mechanica. Andere onderzoekers zijn onder meer, van het Pacific Northwest National Laboratory, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li en Ji-Guang Zhang; van Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, ​​Cedric Bouchet-Marquis, Lee Pullan en Ted Tessner; en van het Los Alamos National Laboratory, Jinkyoung Yoo.

Het ministerie van Energie en de National Science Foundation hebben dit onderzoek gefinancierd.