Ny forskning ledd av en elektroingenjör vid University of California, San Diego syftar till att förbättra litium (Li)-jonbatterier genom möjliga nya elektrodarkitekturer med exakta nanoskaladesigner. Forskarna har presenterat nanotrådar som blockerar diffusion av litium över trådens kiselyta och främjar lager-för-lager axiell litium av nanotrådens germaniumkärna.

Shadi Dayeh, professor vid avdelningen för elektro- och datorteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, förklarade att detta arbete kan leda till "ett effektivt sätt att skräddarsy volymexpansion av litiumjonbatterielektroder som potentiellt skulle kunna minimera deras sprickbildning, förbättra deras hållbarhet, och kanske påverka hur man kan tänka på olika elektrodarkitekturer."

Forskningen publicerades nyligen i tidskriften Nanobokstäver i uppsatsen "Tailoring Lithiation Behavior by Interface and Bandgap Engineering at the Nanoscale."

Genom att belägga germanium nanotrådar med kisel, forskarna stoppade nästan all ytdiffusion av litiumjoner in i nanotrådarna. Istället, litiumdiffusion, känd som litiation, inträffade lager för lager längs nanotrådens axel i motsats till den från nanotrådens yta som inte var täckt med kisel.

"Dessa resultat visar för första gången att gränssnitts- och bandgap-teknik för elektrokemiska reaktioner kan användas för att kontrollera jontransport-/insättningsvägarna i nanoskala och därmed kan vara ett nytt verktyg för att definiera de elektrokemiska reaktionerna i Li-jonbatterier, " skriver forskarna i sin Nano Letters-uppsats.

Se en video som visar den axiella lithieringen av en kiselbelagd nanotråds germaniumkärna, samt radiell diffusion av litium till en obestruket germanium -nanotråd. Videon är från Dayehs Integrated Electronics and Bio-interfaces Lab vid UC San Diego och samarbetspartners vid Sandia National Laboratories.

Lyssna på en ljudkonversation med Shadi Dayeh på SoundCloud.

Detta arbete bygger på forskning som visar utmärkt kontroll över germanium/kisel (Ge/Si) heterostrukturering, som Dayeh och kollegor nyligen publicerade som omslagsartikel i Bokstäver i tillämpad fysik och ett följebrev i journalen Nanobokstäver .

Dayeh odlade nanotrådarna under sin tid som postdoktor vid Los Alamos National Laboratory (LANL). Lithiationsexperiment utfördes av två postdoktorala forskare från Sandia National Laboratories, Drs. Yang Liu och Xiaohua Liu, och Dayehs postdoktorala forskare som arbetar vid LANL. Dayeh formulerade mekanismen och utförde analysen och simuleringarna efter att ha gått med i fakulteten för Electrical and Computer Engineering Department vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Finansieringskällor för denna forskning inkluderar Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), ett Energy Frontier Research Center (EFRC) finansierat av U.S.A. Department of Energy, Los Alamos nationella laboratorium, SandiaNational Laboratories, och UC San Diego.