En studie som undersöker en ny typ av kisel-kol nanokompositelektrod avslöjar detaljer om hur de fungerar och hur upprepad användning kan slita ner dem. Studien ger också ledtrådar till varför detta material presterar bättre än kisel ensam. Med en elektrisk kapacitet som är fem gånger högre än konventionella litiumbatterielektroder, kisel-kol nanokompositelektroder kan leda till längre livslängd, billigare laddningsbara batterier för elfordon.

Publicerad online i tidskriften Nanobokstäver förra veckan, studien inkluderar videor av elektroderna som laddas i nanometerskala upplösning. Att titta på dem i bruk kan hjälpa forskare att förstå materialets styrkor och svagheter.

"Elektroderna expanderar när de laddas, och det förkortar batteriets livslängd, "sade ledande forskare Chongmin Wang vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory." Vi vill lära oss hur man kan förbättra deras livslängd, eftersom kisel-kol nanofiberelektroder har stor potential för uppladdningsbara batterier."

Plus minus

Kisel har både fördelar och nackdelar för användning som batterimaterial. Den har en hög kapacitet för energilagring, så det kan ta en rejäl belastning. Silikons problem, fastän, är att den sväller upp när den laddas, expanderar upp till 3 gånger dess urladdade storlek. Om kiselelektroder är tätt packade i ett batteri, denna expansion kan orsaka att batterierna går sönder. Vissa forskare undersöker elektroder i nanostorlek som fungerar bättre i så snäva utrymmen.

En grupp med flera institutioner ledd av PNNL:s Wang bestämde sig för att testa elektroder i nanostorlek bestående av kolnanofibrer belagda med kisel. Kolets höga konduktivitet, som låter elektriciteten flöda, kompletterar fint kiselns höga kapacitet, som lagrar det.

Forskare vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory i Oak Ridge, Tenn., Applied Sciences Inc. i Cedarville, Ohio, och General Motors Global R&D Center i Warren, Mich. Skapade kolnanofibrer med ett tunt lager kisel lindat runt. De gav elektroderna till teamet på PNNL för att undersöka deras beteende medan de fungerade.

Först, Wang och kollegor testade hur mycket litium elektroderna kunde hålla och hur länge de höll genom att sätta dem i ett litet testbatteri som kallas en halvcell. Efter 100 laddnings-urladdningscykler, elektroderna bibehöll fortfarande en mycket god kapacitet på cirka 1000 milliAmp-timmar per gram material, fem till tio gånger så stor kapacitet som konventionella elektroder i litiumjonbatterier.

Även om de presterade bra, laget misstänkte att expansion och sammandragning av kisel kan vara ett problem för batteriets livslängd, eftersom stretching tenderar att slita ut saker. För att bestämma hur väl elektroderna klarar den upprepade sträckningen, Wang poppade en specialdesignad, litet batteri i ett transmissionselektronmikroskop, som kan se objekt nanometer breda, i DOE:s EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus.

De zoomade in på det lilla batteriets elektrod med hjälp av en ny mikroskopa som finansierades av Recovery Act. Detta mikroskop tillät laget att studera elektroden i bruk, och de tog bilder och video medan det lilla batteriet laddades och laddades ur.

Inte kristallglas

Tidigare arbete har visat att laddning får litiumjoner att strömma in i kislet. I den här studien, litiumjonerna flödade in i kiselskiktet längs med kolnanofiberns längd med en hastighet av cirka 130 nanometer per sekund. Detta är cirka 60 gånger snabbare än enbart kisel, tyder på att det underliggande kolet förbättrar kiselns laddningshastighet.

Som förväntat, kiselskiktet svällde upp cirka 300 procent när litiumet kom in. Dock, kombinationen av kolstödet och kislets ostrukturerade kvalitet gjorde att det svällde jämnt. Detta kan jämföras med kisel enbart, som sväller ojämnt, orsakar brister.

Förutom svullnad, litium är känt för att orsaka andra förändringar i kislet. Kombinationen av litium och kisel bildar initialt en ostrukturerad, glasartat lager. Sedan, när förhållandet litium till kisel når 15 till 4, det glasartade lagret kristalliserar snabbt, som tidigare arbete av andra forskare har visat.

Wang och kollegor undersökte kristalliseringsprocessen i mikroskopet för att bättre förstå den. I mikroskopvideon, de kunde se kristalliseringen gå framåt när litiumet fyllde i kislet och nådde förhållandet 15 till 4.

De fann att denna kristallisering skiljer sig från det klassiska sättet att många ämnen kristalliserar, som bygger från en utgångspunkt. Snarare, litium- och kiselskiktet knäppte in i en kristall på en gång när förhållandet nådde exakt 15 till 4. Beräkningsanalyser av denna kristallisering verifierade dess snygga natur, en typ av kristallisation som kallas kongruent fasövergång.

Men kristalliseringen var inte permanent. Vid urladdning, teamet fann att kristallskiktet blev glasigt igen, när koncentrationen av litium sjönk på väg ut ur kislet.

För att avgöra om upprepad användning har satt sina spår på elektroden, teamet laddade och laddade ur det lilla batteriet 4 gånger. Att jämföra samma område av elektroden mellan den första och fjärde laddningen, laget såg ytan bli grov, liknar en väg med gropar.

Ytförändringarna berodde sannolikt på att litiumjoner lämnade lite skador i deras spår vid urladdning, sa Wang. "Vi kan se elektrodens yta gå från slät till grov när vi laddar och laddar ur den. Vi tänker när den cyklar, små defekter uppstår, och defekterna ackumuleras. "

Men det faktum att kiselskiktet är väldigt tunt gör det mer hållbart än tjockare kisel. I tjockt kisel, hålen som litiumjoner lämnar efter sig kan gå samman för att bilda stora håligheter. "I den nuvarande designen, eftersom kislet är så tunt, du får inte större hålrum, precis som små gasbubblor i grunt vatten kommer upp till ytan. Om vattnet är djupt, bubblorna kommer ihop och bildar större bubblor. "

I framtida arbete, forskare hoppas kunna utforska tjockleken på kiselskiktet och hur väl det binder till det underliggande kolet för att optimera prestanda och livslängd för elektroderna.