(Phys.org) — Att lösa mysteriet med vad som händer inuti batterier när kisel kommer i kontakt med litium kan påskynda kommersialiseringen av nästa generations högkapacitetsbatterier, för användning i mobiltelefoner och andra applikationer.
Nästa generations batterier baserade på kisel har kommit ett steg närmare den kommersiella verkligheten, efter att mysteriet kring vad som händer inuti batterier när kisel kommer i kontakt med litium har förståtts i oöverträffad detalj. Kiselbaserad teknik skulle avsevärt utöka kapaciteten hos batterierna som används i mobiltelefoner, elfordon och andra applikationer.
Genom att använda en kombination av nanoteknik och kärnmagnetisk resonans (NMR) tekniker, Forskare har utvecklat ett nytt sonderingssystem som ger en bild av vad som händer inuti batterierna på atomnivå, möjliggör större kontroll över materialens egenskaper.
Kisel har föreslagits som ersättning för kol i batterianoder (negativa elektroder) under de senaste 20 åren, eftersom det har ungefär tio gånger mer lagringskapacitet än kol. Dock, svårigheter att hantera kisel egenskaper har hindrat tekniken från att tillämpas i stor skala.
Det primära problemet med att använda kisel i ett litiumjonbatteri är att kiselatomer absorberar litiumatomer, och kislet expanderar upp till tre gånger i volym, försämrar batteriet. Även om det har blivit lättare att kontrollera denna expansion under det senaste decenniet, en bristande förståelse för vad som händer inuti batterierna och vad som styr reaktionerna har fortsatt att hålla kvar kiselbatterier.
Forskare vid University of Cambridge har utvecklat en ny metod för att sondera kiselbatterier och bestämt vad som orsakar expansionen. Resultaten redovisas i 3 februari-upplagan av tidskriften Naturkommunikation .
"Den mest grundläggande utmaningen för att leverera sådana högkapacitetsbatterier är att förstå reaktionerna som pågår inuti dem, ", sa huvudförfattaren Dr Ken Ogata vid Institutionen för teknik.
Med hjälp av nanoskala ledningar gjorda av kisel och NMR-tekniker, forskarna utvecklade ett robust modellsystem som klarar av expansionen av kisel över flera cykler, och integrerat den med kortdistans sonderingstekniker som avslöjar vad som händer inuti batteriet på atomnivå. Teamet fann att reaktionerna fortsätter med interaktioner av olika storlekar av kiselnätverk och kluster, energetik som delvis styr reaktionens väg.
Genom att använda dessa kombinerade tekniker, forskarna kunde utveckla en "karta" över hur kisel omvandlas när det kommer i kontakt med litium i ett batteri. De insikter som tekniken öppnar kommer att stärka den fortsatta utvecklingen av silikonbatterier, eftersom det blir lättare för ingenjörer att kontrollera sina egenskaper.
"Att använda den här tekniken kommer att göra batteridesignen mycket mer systematisk, och mindre försök och misstag, " sade Dr Ogata. "De nanotrådsbaserade batterierna i kombination med NMR-systemet gjorde det möjligt för oss att följa reaktionskinetiken över flera cykler med olika cykelstrategier. Viktigt, de insikter som den nya tekniken uppnår är relevanta för nuvarande toppmoderna kisel-kolkompositanoder och kommer att leda till vidareutveckling av anoderna."
Denna mångsidiga nanotrådsbaserade teknologi kan appliceras på andra batterisystem som tenn- och germaniumbaserade litiumjonbatterier och natriumjonbatterier, och studier pågår för närvarande med NMR-spektroskopi under en mängd olika elektrokemiska regimer.
