En ny metod för att karakterisera den strukturella och kemiska utvecklingen av kisel och ett tunt lager som styr batteriets stabilitet kan hjälpa till att lösa problem som förhindrar användning av kisel för högkapacitetsbatterier, enligt en grupp forskare.

Forskningen fokuserar på anodens gränssnitt, en negativ elektrod, och elektrolyten, som gör att laddningen kan röra sig mellan anoden och den andra elektroden, katoden. Ett solid-electrolyte interphase (SEI) skikt bildas vanligtvis på ytan av en elektrod mellan den fasta elektroden och den flytande elektrolyten och är avgörande för den elektrokemiska reaktionen i batterier, tillsammans med styra batteriets stabilitet. Att använda kisel som anod skulle möjliggöra ett bättre uppladdningsbart batteri.

"Under de senaste 10 åren, kisel har väckt stor uppmärksamhet som en negativ elektrod med hög kapacitet för uppladdningsbara batterier, sa Sulin Zhang, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik och i bioteknik. "Nuvarande kommersialiserade batterier använder grafit som anodmaterial, men kapaciteten hos kisel är cirka 10 gånger grafit. Det finns tiotals miljoner, hundratals miljoner till och med, av dollar investerade i forskning om kiselbatterier på grund av detta."

Detta är goda nyheter för ett samhälle som vill elektrifiera sin infrastruktur med elfordon och kraftfull bärbar elektronik, dock, det finns en utmaning. Under processen att ladda och ladda ur batteriet, volymen av kisel expanderar och krymper, vilket leder till att kiselmaterialet spricker, och SEI kommer att falla sönder och regenerera om och om igen. Detta leder till förlust av elektrisk kontakt och försämring av kapacitet, mängden laddning som lagras av batteriet.

Att förstå exakt hur denna process utvecklas både strukturellt och kemiskt är avgörande för att lösa problemet.

"Eftersom stabiliteten i detta lager styr batteriets stabilitet, du vill inte att detta ska växa okontrollerat eftersom skapandet av detta lager kommer att förbruka såväl elektrolytmaterial som aktivt litium, ", sa Zhang. "Och detta kan leda till att elektrolyter torkar ut och förlust av aktivt material, så du har en negativ effekt på batteriets prestanda."

Den stora utmaningen som Zhang och hans team tog sig an, publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik , kunde observera, karakterisera och förstå denna process.

"SEI-lagret är så kritiskt för batteriet, " sa Zhang. "Men den är väldigt tunn, osynlig av alla optiska mikroskop och utvecklas dynamiskt under batteriets cykling. Det kan vara tillgängligt för ett transmissionselektronmikroskop som kan användas för mycket nanoskala, mycket tunna material. Men för en SEI, Detta lager är ganska mjukt och förstörs lätt på elektronstrålarna eftersom du måste skicka många elektroner för att få en högupplöst bild av materialkomponenterna."

För att övervinna detta, forskarna använde kryogen scanning transmissionselektronmikroskopi (cryo-STEM). De höll de cyklade elektrodmaterialen vid kryogena temperaturer under förberedelse och avbildning med ett kryo-STEM-mikroskop för att minimera provskador från elektronstrålen. Dessutom, de integrerade känslig elementartomografi för 3D-avbildning, och en avancerad algoritm utformad för att ta bilder med en lägre elektrondos. Denna teknik möjliggjorde en 3D-vy av SEI-kiselinteraktionen, tagna efter olika antal battericykling.

"Den unika aspekten av vår metod är kryo-STEM-avbildning och multipel fysisk processmodellering, ", sade Zhang. "Vi kan visualisera utvecklingen av kisel och SEI efter den cykliska driften av batteriet; Parallellt kan vi rekapitulera hela den mikrostrukturella evolutionsprocessen under cykling med hjälp av beräkningssimuleringar. Det är det nya med denna forskning."

Teamets arbete har lett till bättre förståelse av mekanismerna som orsakar tillväxten och instabiliteten hos SEI-skiktet i en kiselanod.

"Så, med förståelsen av tillväxtmekanismen för SEI-skiktet, som kommer att ge oss mycket insikt om hur vi kan förbättra prestanda för kiselanod eller batteridesign, "Då kan vi skapa en mer robust silikonanod för nästa generations litiumbatterier."

Denna nästa generation av litiumbatterier skulle ha flera fördelar för både industrin och den genomsnittliga konsumenten, han förklarade.

"Kisel är mycket rikligt och om vi kan använda kisel som anod med lång livslängd, vi kommer att dramatiskt öka kapaciteten för ett uppladdningsbart batteri, " sa Zhang. "Och, eftersom kisel är rikligt, som kommer att sänka priset på batterier."

Beväpnad med den kritiska förståelsen av SEI-lagerutvecklingen under laddning och urladdning i ett batteri med en silikonanod, Zhang sa att nästa steg kommer att vara att använda den kunskapen för att hjälpa till att designa ett kiselanodbatteri som inte tappar kapacitet med cykling.

"Med förståelsen av den underliggande mekanismen, nästa steg är att ta fram någon vetenskaplig hypotes, ", sa Zhang. "Och sedan ska vi testa denna hypotes med kiselanoder så att vi kan mildra den skadliga effekten som är förknippad med volymförändringen av kisel. Genom att kontrollera det för närvarande okontrollerbara, vi kan designa en silikonelektrod med bättre prestanda."

Tillsammans med Zhang, Penn State-forskare som är involverade i studien inkluderar Tianwu Chen och Dingchuan Xue, doktorander i ingenjörsvetenskap och mekanik. Andra forskare inkluderar, från Pacific Northwest National Laboratory, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li och Ji-Guang Zhang; från Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cedric Bouchet-Marquis, Lee Pullan och Ted Tessner; och från Los Alamos National Laboratory, Jinkyoung Yoo.

Institutionen för energi och National Science Foundation finansierade denna forskning.