• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • För många elektroner vid lithieringsfronten i kisel är ett problem

    Molekylära simuleringar och experiment visar den initiala strukturen av litiumkisellegeringen och amorfiseringen som sker efter 420 femtosekunder. Litiumjonerna är de röda sfärerna och kiselatomerna är de gröna sfärerna.

    (Phys.org) —Allstädes närvarande men frustrerande, litiumjonbatterier bleknar eftersom materialen tappar sin struktur som svar på laddning och urladdning. Denna strukturförändring är nära besläktad med bildandet av elektronrika regioner inom elektroden, enligt forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), University of Electronic Science and Technology i Kina, Northwestern University, och Rensselaer Polytechnic Institute. Teamet använde experiment och molekylära simuleringar för att visa att den elektronrika regionen gör att kiselbindningar bryts. Bindningsbrottet omvandlar kristallint kisel till en amorf legering av litium och kisel.

    "Det var absolut oklart vad som pågick, även om många artiklar beskrev hur införande av litiumjoner i material leder till amorfisering, "sa Dr Fei Gao, en kemisk fysiker och en motsvarande författare om studien. "Vi föreslår att lokala elektronrika förhållanden inducerar amorfisering."

    Som alla ägare av en mobiltelefon vet, litiumjonbatterier bleknar, lagrar mindre energi varje gång de laddas. Över tid, ett batteri minskar till den grad att det måste bytas ut, till både en miljömässig och ekonomisk kostnad. Denna studie förklarar vad som har setts gång på gång i experiment:driva batterier med kisel, zinkoxid, germanium, eller vissa andra isoleringsmaterial leder till amorfiserade elektroder, men aluminium eller andra metaller förblir en kristallin legering. Denna studies resultat kan hjälpa till att designa material som håller längre, inte bara för mobiltelefoner, men även för elbilar.

    "Det ständigt växande energibehovet för information och transport beror på framstegen inom energilagringstekniker, till exempel litiumjonbatterier på grund av deras relativt höga energitäthet och designflexibilitet. Tidig utveckling av ett bättre batteri är drivkraften för att skapa nya material för energilagring, " sa Dr Chongmin Wang, kemisk avbildningsexpert vid PNNL och utredare i denna studie.

    När ett litiumjonbatteri laddas, litiumjoner sätts in i anoden, en process som kallas lithiation. Anodens joner börjar med att vara ordnade i ett väldefinierat gitter, men i vissa fall förvandlas till ett amorft virrvarr. I den här studien, forskarna använde fosfor-dopade kisel-nanotrådanoder. Nanotrådarna odlades vid DOE:s Center for Integrated Nanotechnologies, vid Los Alamos National Laboratory och Northwestern University, med hjälp av kemisk ångavsättning.

    Teamet tog nanotrådarna till DOE:s EMSL, ligger på PNNL, och satte ihop dem till ett litet batteri inuti ett aberrationskorrigerat transmissionselektronmikroskop och observerade lithiation, vid gitterupplösning. De tittade vidare på beteendet hos dessa regioner med scanning av transmissionselektronmikroskopbilder och elektronenergiförlustspektroskopi. För att komplettera experimentella observationer, de studerade metallbaserade elektroder med hjälp av en storskalig densitetsfunktionell teorimolekylär dynamikmetod och såg kristaller bildas. Teamet undersökte också reaktionerna som resulterar i kristallin litiumsilicid under elektronrika förhållanden.

    De upptäckte att amorforisering alltid startar vid gränssnitten mellan kisel och en litium-kisellegering där en lokaliserad hög koncentration av elektroner förekommer. För att anpassa sig till de extra elektronerna och en hög nivå av litiumjoner som kommer in i gittret, bindningarna mellan kiselatomer i det kristallina gittret bryts. De brutna bindningarna skapar isolerade kiselatomer och leder till de störda faserna.

    "Expertis på både litiumjonbatterier och kemisk bildbehandling gav oss fördelen, " sa Dr Louis Terminello, som leder Chemical Imaging Initiative vid PNNL, huvudsponsor för denna studie.

    Forskarna genomför beräkningssimuleringar för att stödja experiment som syftar till att helt förstå batterier. Till exempel, de fortsätter att utforska grafens beteende, ett material av stort intresse i energilagringen. Också, de gör beräkningsarbete med experimenter för att belysa jonernas beteende i material för det uppladdningsbara litiumjonbatteriet, speciellt litiumnickel-manganoxidkatoden.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com