Kisel är en stapelvara i den digitala revolutionen, shuntar massor av signaler på en enhet som sannolikt är bara några centimeter från dina ögon just nu.

Nu, samma rikliga, billigt material håller på att bli en seriös kandidat för en stor roll i den växande batteribranschen. Det är särskilt attraktivt eftersom det kan hålla 10 gånger så mycket energi i en viktig del av ett batteri, anoden, än allmänt använd grafit.

Men inte så snabbt. Även om kisel har ett gott rykte bland forskare, själva materialet sväller när det ingår i ett batteri. Det sväller så mycket att anoden flagnar och spricker, vilket gör att batteriet förlorar sin förmåga att hålla en laddning och slutligen misslyckas.

Nu har forskare bevittnat processen för första gången, ett viktigt steg mot att göra kisel till ett hållbart val som kan förbättra kostnaderna, prestanda och laddningshastighet för batterier för elfordon såväl som mobiltelefoner, bärbara datorer, smarta klockor och andra prylar.

"Många människor har föreställt sig vad som kan hända men ingen hade faktiskt visat det tidigare, " sa Chongmin Wang, en forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. Wang är en motsvarande författare till tidningen som nyligen publicerades i Naturens nanoteknik.

Av kiselanoder, jordnötssmörsbägare och packade flygpassagerare

Litiumjoner är energivalutan i ett litiumjonbatteri, färdas fram och tillbaka mellan två elektroder genom vätska som kallas elektrolyt. När litiumjoner kommer in i en anod gjord av kisel, de muskler sig in i den ordnade strukturen, trycker kiselatomerna snett, som en kraftig flygpassagerare som klämmer sig in i mittsätet på ett fullsatt flyg. Denna "litiumsqueeze" gör att anoden sväller till tre eller fyra gånger sin ursprungliga storlek.

När litiumjonerna försvinner, saker återgår inte till det normala. Det finns lediga platser kvar. Förskjutna kiselatomer fyller i många, men inte allt, av de lediga platserna, som att passagerare snabbt tar tillbaka det tomma utrymmet när mittpassageraren beger sig till toaletten. Men litiumjonerna kommer tillbaka, tränger sig in igen. Processen upprepas när litiumjonerna rör sig fram och tillbaka mellan anoden och katoden, och de tomma utrymmena i kiselanoden smälter samman för att bilda tomrum eller luckor. Dessa luckor leder till batterifel.

Forskare har känt till processen i flera år, men de hade inte tidigare sett exakt hur det resulterar i batterifel. Vissa har tillskrivit misslyckandet till förlusten av kisel och litium. Andra har skyllt på förtjockningen av en nyckelkomponent känd som solid-electrolyte interphase eller SEI. SEI är en delikat struktur vid kanten av anoden som är en viktig port mellan anoden och den flytande elektrolyten.

I sina experiment, teamet såg hur de lediga platserna lämnade av litiumjoner i kiselanoden utvecklades till större och större luckor. Sedan såg de hur den flytande elektrolyten strömmade in i springorna som små bäckar längs en strandlinje, infiltrera kislet. Detta inflöde gjorde att SEI kunde utvecklas i områden inom kislet där det inte borde vara, en molekylär inkräktare i en del av batteriet där den inte hör hemma.

Det skapade döda zoner, förstör kislets förmåga att lagra litium och förstör anoden.

Tänk på en jordnötssmörskopp i orörd form:Chokladen utanför är skild från det mjuka jordnötssmöret inuti. Men om du håller den i handen för länge med ett för hårt grepp, det yttre skalet mjuknar och blandas med den mjuka chokladen inuti. Du sitter kvar med en enda oordnad massa vars struktur förändras oåterkalleligt. Du har inte längre en riktig jordnötssmörkopp. Likaså, efter att elektrolyten och SEI infiltrerar kislet, forskare har inte längre en fungerande anod.

Teamet såg denna process börja omedelbart efter bara en battericykel. Efter 36 cykler, batteriets förmåga att hålla en laddning hade minskat dramatiskt. Efter 100 cykler, anoden var förstörd.

Utforska löftet om kiselanoder

Forskare arbetar på sätt att skydda kislet från elektrolyten. Flera grupper, inklusive forskare vid PNNL, utvecklar beläggningar utformade för att fungera som grindvakter, tillåta litiumjoner att gå in i och ut ur anoden samtidigt som andra komponenter i elektrolyten stoppas.

Forskare från flera institutioner samlade sin expertis för att utföra arbetet. Forskare vid Los Alamos National Laboratory skapade kiselnanotrådarna som användes i studien. PNNL-forskare arbetade tillsammans med motsvarigheter vid Thermo Fisher Scientific för att modifiera ett kryogent transmissionselektronmikroskop för att minska skadorna från elektronerna som används för avbildning. Och forskare från Penn State University utvecklade en algoritm för att simulera den molekylära verkan mellan vätskan och kiseln.

Sammanlagt, teamet använde elektroner för att göra ultrahögupplösta bilder av processen och rekonstruerade sedan bilderna i 3-D, liknande hur läkare skapar en 3D-bild av en patients lem eller organ.

"Detta arbete erbjuder en tydlig färdplan för att utveckla kisel som anod för ett högkapacitetsbatteri, " sa Wang.