En ny studie kommer att hjälpa forskare att skapa längre, uppladdningsbara litiumbatterier med högre kapacitet, som vanligtvis används inom konsumentelektronik. I en studie publicerad i tidskriften ACS Nano , forskare visade hur en beläggning som gör kiselelektroder med hög kapacitet mer hållbar kan leda till en ersättning för grafitelektroder med lägre kapacitet.

"Att förstå hur beläggningen fungerar ger oss en indikation på den riktning vi behöver gå in för att övervinna problemen med kiselelektroder, "sa materialforskaren Chongmin Wang från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory.

Tack vare dess höga potential för elektrisk kapacitet, kisel är en av de hetaste sakerna i utvecklingen av litiumjonbatterier nuförtiden. Att byta ut grafitelektroden i laddningsbara litiumbatterier mot kisel kan öka kapaciteten tio gånger, gör att de håller många timmar längre innan de tar slut på saften. Problemet? Kiselelektroder är inte särskilt hållbara - efter några dussin laddningar, de kan inte längre hålla el.

Det beror delvis på hur kisel tar upp litium - som en svamp. Vid laddning, litium infiltrerar kiselelektroden. Litiumet får kiselelektroden att svälla upp till tre gånger sin ursprungliga storlek. Möjligen till följd av svullnaden eller av andra okända skäl, kislet spricker och går sönder.

Forskare har använt elektroder som består av små kiselsfärer som är cirka 150 nanometer breda - ungefär tusen gånger mindre än ett människohår - för att övervinna några av begränsningarna för kisel som en elektrod. Den lilla storleken gör att kisel laddas snabbt och noggrant - en förbättring jämfört med tidigare kiselelektroder - men lindrar endast delvis sprickproblemet.

Förra året, materialvetaren Chunmei Ban och hennes kollegor vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, och University of Colorado, Boulder fann att de kunde täcka kiselnanopartiklar med en gummiliknande beläggning gjord av aluminiumglycerol. De belagda kiselpartiklarna varade minst fem gånger längre - obelagda partiklar dog i 30 cykler, men de belagda hade fortfarande en laddning efter 150 cykler.

Forskare visste inte hur denna beläggning förbättrade prestandan för kiselnanopartiklar. Nanopartiklarna växer naturligt ett hårt skal av kiseloxid på deras yta, ungefär som rostfritt stål bildar ett skyddande lager av kromoxid på dess yta. Ingen förstod om oxidskiktet störde elektrodprestanda, och i så fall hur den gummiliknande beläggningen förbättrade den.

För att bättre förstå hur beläggningen fungerade, PNNL:s Wang och kollegor, inklusive Ban, vände sig till expertis och ett unikt instrument på EMSL, DOE:s miljömolekylära vetenskapslaboratorium, en DOE Office of Science User Facility på PNNL.

Bans grupp - som utvecklade beläggningen för kiselelektroder, kallas alucone, och är för närvarande den enda gruppen som kan skapa alukonbelagda kiselpartiklar-tog bilder med hög förstoring av partiklarna i ett elektronmikroskop. Men Wangs team har ett mikroskop som kan se partiklarna i aktion, medan de laddas och laddas ur. Så, Yang He från University of Pittsburgh utforskade de belagda kiselnanopartiklarna i aktion vid EMSL.

Teamet upptäckte att utan alukonbeläggningen, oxidskalet förhindrar att kisel expanderar och begränsar hur mycket litium partikeln kan ta in när ett batteri laddas. På samma gång, de fann att alukonbeläggningen mjukar upp partiklarna, vilket gör det lättare för dem att expandera och krympa med litium.

Och de mikroskopiska bilderna avslöjade något annat - den gummiliknande alukonen ersätter den hårda oxiden. Det gör att kislet kan expandera och dra ihop sig under laddning och urladdning, förhindra sprickbildning.

"Vi blev förvånade över att oxiden togs bort, "sa Wang." Normalt är det svårt att ta bort en oxid. Du måste använda syra för att göra det. Men denna molekylära deponeringsmetod som täcker partiklarna förändrade helt det skyddande skiktet. "

Dessutom, partiklarna med oxidskal tenderar att smälta samman under laddning, öka deras storlek och förhindra att litium tränger igenom kislet. Den gummiliknande beläggningen höll partiklarna separerade, så att de kan fungera optimalt.

I framtiden, forskarna skulle vilja utveckla en enklare metod för beläggning av kisel -nanopartiklar.