Otot Anoda Silikon dalam Teknologi Baterai

Silikon adalah inti dari revolusi digital, mengeluarkan banyak sinyal pada perangkat yang's kemungkinan hanya beberapa inci dari mata Anda saat ini.

Sekarang, bahan murah yang berlimpah itu menjadi kandidat serius untuk peran besar dalam bisnis baterai yang sedang berkembang. Ini' sangat menarik karena' mampu menahan 10 kali lebih banyak energi di bagian penting baterai, anoda, daripada grafit yang banyak digunakan.

Tapi tidak begitu cepat. Sementara silikon memiliki reputasi besar di antara para ilmuwan, bahan itu sendiri membengkak ketika's bagian dari baterai. Itu membengkak begitu banyak sehingga serpihan anoda dan retak, menyebabkan baterai kehilangan kemampuannya untuk menahan muatan dan akhirnya gagal.

Sekarang para ilmuwan telah menyaksikan proses tersebut untuk pertama kalinya, sebuah langkah penting untuk menjadikan silikon sebagai pilihan tepat yang dapat meningkatkan biaya, kinerja, dan kecepatan pengisian baterai untuk kendaraan listrik serta ponsel, laptop, jam tangan pintar, dan gadget lainnya.

& quot;Banyak orang membayangkan apa yang mungkin terjadi tetapi tidak ada yang benar-benar menunjukkannya sebelumnya," kata Chongmin Wang, seorang ilmuwan di Laboratorium Nasional Barat Laut Pasifik Departemen Energi'. Wang adalah penulis korespondensi dari makalah yang baru-baru ini diterbitkan diNanoteknologi Alam.

Dari anoda silikon, cangkir selai kacang, dan penumpang maskapai yang dikemas

Ion lithium adalah mata uang energi dalam baterai lithium-ion, berjalan bolak-balik antara dua elektroda melalui cairan yang disebut elektrolit. Ketika ion litium memasuki anoda yang terbuat dari silikon, ion-ion itu masuk ke dalam struktur yang teratur, mendorong atom-atom silikon miring, seperti penumpang pesawat yang kekar terjepit di kursi tengah pada penerbangan yang penuh sesak."lithium meremas" membuat anoda membengkak tiga atau empat kali ukuran aslinya.

Ketika ion lithium pergi, hal-hal tidak't kembali normal. Ruang kosong yang dikenal sebagai kekosongan tetap ada. Atom silikon yang dipindahkan mengisi banyak, tetapi tidak semua, kekosongan, seperti penumpang dengan cepat mengambil kembali ruang kosong ketika penumpang tengah menuju kamar kecil. Tetapi ion lithium kembali, mendorong masuk lagi. Proses ini berulang saat ion lithium bergerak bolak-balik antara anoda dan katoda, dan ruang kosong di anoda silikon bergabung untuk membentuk rongga atau celah. Kesenjangan ini diterjemahkan menjadi kegagalan baterai.

Para ilmuwan telah mengetahui tentang proses ini selama bertahun-tahun, tetapi mereka' belum pernah menyaksikan dengan tepat bagaimana hal itu menyebabkan kegagalan baterai. Beberapa telah menghubungkan kegagalan dengan hilangnya silikon dan lithium. Yang lain menyalahkan penebalan komponen kunci yang dikenal sebagai interfase elektrolit padat atau SEI. SEI adalah struktur halus di tepi anoda yang merupakan gerbang penting antara anoda dan elektrolit cair.

Dalam eksperimennya, tim mengamati kekosongan yang ditinggalkan oleh ion lithium di anoda silikon berkembang menjadi celah yang lebih besar dan lebih besar. Kemudian mereka menyaksikan elektrolit cair mengalir ke celah seperti anak sungai kecil di sepanjang garis pantai, menyusup ke silikon. Aliran masuk ini memungkinkan SEI untuk berkembang di area di dalam silikon di mana seharusnya' tidak menjadi, penyerbu molekuler di bagian baterai di mana' tidak berada.

Itu menciptakan zona mati, menghancurkan kemampuan silikon untuk menyimpan lithium dan merusak anoda.

Pikirkan cangkir selai kacang dalam bentuk murni: Cokelat di luar berbeda dari selai kacang lembut di dalamnya. Tetapi jika Anda memegangnya terlalu lama dengan genggaman yang terlalu erat, kulit terluarnya melunak dan bercampur dengan cokelat lembut di dalamnya. Anda' tersisa dengan satu massa tidak teratur yang strukturnya berubah secara ireversibel. Anda tidak lagi memiliki cangkir selai kacang sejati. Demikian juga, setelah elektrolit dan SEI menyusup ke silikon, para ilmuwan tidak lagi memiliki anoda yang bisa diterapkan.

Tim menyaksikan proses ini dimulai segera setelah hanya satu siklus baterai. Setelah 36 siklus, kemampuan baterai' untuk mengisi daya telah menurun drastis. Setelah 100 siklus, anoda hancur.

Menjelajahi janji anoda silikon

Para ilmuwan sedang mencari cara untuk melindungi silikon dari elektrolit. Beberapa kelompok, termasuk ilmuwan di PNNL, sedang mengembangkan pelapis yang dirancang untuk bertindak sebagai penjaga gerbang, yang memungkinkan ion lithium masuk dan keluar dari anoda sambil menghentikan komponen elektrolit lainnya.

Para ilmuwan dari beberapa institusi mengumpulkan keahlian mereka untuk melakukan pekerjaan itu. Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Los Alamos menciptakan kawat nano silikon yang digunakan dalam penelitian ini. Ilmuwan PNNL bekerja sama dengan rekan-rekan di Thermo Fisher Scientific untuk memodifikasi mikroskop elektron transmisi kriogenik untuk mengurangi kerusakan dari elektron yang digunakan untuk pencitraan. Dan para ilmuwan Penn State University mengembangkan algoritma untuk mensimulasikan aksi molekuler antara cairan dan silikon.

Secara keseluruhan, tim menggunakan elektron untuk membuat gambar beresolusi sangat tinggi dari proses tersebut dan kemudian merekonstruksi gambar dalam 3D, mirip dengan bagaimana dokter membuat gambar 3D dari anggota tubuh atau organ pasien.

& quot;Karya ini menawarkan peta jalan yang jelas untuk mengembangkan silikon sebagai anoda untuk baterai berkapasitas tinggi," kata Wang.

Di PNNL, pekerjaan ini merupakan bagian dari program penelitian luas yang mengeksplorasi anoda silikon, termasuk bahan asli seperti pelapis, cara baru untuk membuat perangkat, dan elektrolit baru yang meningkatkan masa pakai baterai.

Selain Wang, penulis makalah PNNL lainnya termasuk Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (juga penulis korespondensi) dan Ji-Guang (Jason) Zhang.

Sumber Cerita:

Bahan:disediakan olehDOE/Laboratorium Nasional Pacific Northwest. Asli ditulis oleh Tom Rickey.Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.