Siliciumanodes versterken batterijtechnologie

Silicium is een hoofdbestanddeel van de digitale revolutie, die massa’s signalen overbrugt op een apparaat dat zich op dit moment waarschijnlijk slechts enkele centimeters van uw ogen bevindt.

Nu wordt datzelfde overvloedige, goedkope materiaal een serieuze kandidaat voor een grote rol in de snelgroeiende batterijbusiness. Het is vooral aantrekkelijk omdat het in staat is om 10 keer zoveel energie vast te houden in een belangrijk onderdeel van een batterij, de anode, dan het veelgebruikte grafiet.

Maar niet zo snel. Terwijl silicium een ​​uitstekende reputatie heeft onder wetenschappers, zwelt het materiaal zelf op wanneer het deel uitmaakt van een batterij. Het zwelt zo sterk op dat de anode afschilfert en barst, waardoor de batterij zijn vermogen verliest om een ​​lading vast te houden en uiteindelijk uitvalt.

Nu zijn wetenschappers voor het eerst getuige geweest van het proces, een belangrijke stap om van silicium een ​​haalbare keuze te maken die de kosten, prestaties en laadsnelheid van batterijen voor elektrische voertuigen, evenals mobiele telefoons, laptops, slimme horloges en andere gadgets zou kunnen verbeteren.

“Veel mensen hebben zich voorgesteld wat er zou kunnen gebeuren, maar niemand had het eerder aangetoond”, zegt Chongmin Wang, een wetenschapper bij het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy. Wang is een corresponderende auteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in: Natuur Nanotechnologie.

Van siliciumanoden, pindakaasbekers en ingepakte vliegtuigpassagiers

Lithiumionen zijn de energievaluta in een lithium-ionbatterij, die heen en weer reist tussen twee elektroden door vloeistof die elektrolyt wordt genoemd. Wanneer lithiumionen een anode van silicium binnendringen, dringen ze zich een weg in de geordende structuur en duwen de siliciumatomen scheef, zoals een stevige vliegtuigpassagier die in de middelste stoel van een volle vlucht knijpt. Deze “lithium-squeeze” doet de anode opzwellen tot drie of vier keer zijn oorspronkelijke grootte.

Als de lithiumionen vertrekken, wordt alles niet meer normaal. Er blijven lege plekken over, ook wel vacatures genoemd. Verplaatste siliciumatomen vullen veel, maar niet alle vacatures in, zoals passagiers die snel de lege ruimte innemen wanneer de middelste passagier naar het toilet gaat. Maar de lithiumionen keren terug en dringen zich weer een weg naar binnen. Het proces herhaalt zich terwijl de lithiumionen heen en weer schieten tussen de anode en kathode, en de lege ruimtes in de siliciumanode samensmelten om holtes of gaten te vormen. Deze hiaten vertalen zich in een batterijstoring.

Wetenschappers weten al jaren van het proces, maar ze hadden niet eerder gezien hoe het precies leidt tot batterijstoring. Sommigen hebben het falen toegeschreven aan het verlies van silicium en lithium. Anderen geven de schuld aan de verdikking van een belangrijke component die bekend staat als de vaste-elektrolyt-interfase of SEI. De SEI is een delicate structuur aan de rand van de anode die een belangrijke poort is tussen de anode en de vloeibare elektrolyt.

In zijn experimenten keek het team toe hoe de vacatures die door lithiumionen in de siliciumanode waren achtergelaten, evolueerden naar grotere en grotere gaten. Toen keken ze hoe de vloeibare elektrolyt als kleine stroompjes langs een kustlijn in de gaten stroomde en het silicium infiltreerde. Door deze instroom kon de SEI zich ontwikkelen in gebieden in het silicium waar het niet zou moeten zijn, een moleculaire indringer in een deel van de batterij waar het niet thuishoort.

Dat creëerde dode zones, vernietigde het vermogen van het silicium om lithium op te slaan en verpestte de anode.

Denk aan een pindakaasbeker in onberispelijke vorm: de chocolade aan de buitenkant is anders dan de zachte pindakaas aan de binnenkant. Maar als je het te lang in je hand houdt met een te strakke greep, wordt de buitenste schil zachter en vermengt zich met de zachte chocolade binnenin. Je blijft zitten met een enkele ongeordende massa waarvan de structuur onomkeerbaar is veranderd. Je hebt geen echte pindakaasbeker meer. Evenzo, nadat de elektrolyt en de SEI het silicium infiltreren, hebben wetenschappers geen werkbare anode meer.

Het team was er getuige van dat dit proces onmiddellijk na slechts één batterijcyclus begon. Na 36 cycli was het vermogen van de batterij om een ​​lading vast te houden drastisch afgenomen. Na 100 cycli was de anode kapot.

Onderzoek naar de belofte van siliciumanoden

Wetenschappers werken aan manieren om het silicium te beschermen tegen de elektrolyt. Verschillende groepen, waaronder wetenschappers van PNNL, ontwikkelen coatings die zijn ontworpen om als poortwachters te fungeren, waardoor lithiumionen in en uit de anode kunnen gaan terwijl andere componenten van de elektrolyt worden gestopt.

Wetenschappers van verschillende instellingen hebben hun expertise gebundeld om het werk te doen. Wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory hebben de silicium nanodraden gemaakt die in het onderzoek zijn gebruikt. Wetenschappers van PNNL werkten samen met collega’s bij Thermo Fisher Scientific om een ​​cryogene transmissie-elektronenmicroscoop te modificeren om de schade door de elektronen die voor beeldvorming worden gebruikt te verminderen. En wetenschappers van de Penn State University ontwikkelden een algoritme om de moleculaire actie tussen de vloeistof en het silicium te simuleren.

Al met al gebruikte het team elektronen om beelden met een ultrahoge resolutie van het proces te maken en reconstrueerde het de beelden vervolgens in 3D, vergelijkbaar met hoe artsen een 3D-beeld van een ledemaat of orgaan van een patiënt maken.

“Dit werk biedt een duidelijke routekaart voor de ontwikkeling van silicium als anode voor een batterij met hoge capaciteit”, zei Wang.