Kísilskautavöðvar í rafhlöðutækni

Kísill er undirstaða stafrænu byltingarinnar, shuntar fullt af merkjum á tæki sem' er líklega aðeins tommur frá augum þínum á þessari stundu.

Nú, sama mikla, ódýra efni er að verða alvarlegur kandídat fyrir stórt hlutverk í vaxandi rafhlöðubransanum. Það'er sérstaklega aðlaðandi vegna þess að það'er hægt að geyma 10 sinnum meiri orku í mikilvægum hluta rafhlöðunnar, rafskautinu, en mikið notað grafít.

En ekki svo hratt. Þó að kísill hafi gott orðspor meðal vísindamanna, þá bólgnar efnið sjálft út þegar það'er hluti af rafhlöðu. Það bólgnar svo mikið að rafskautið flagnar og klikkar, sem veldur því að rafhlaðan missir getu sína til að halda hleðslu og bilar á endanum.

Nú hafa vísindamenn orðið vitni að ferlinu í fyrsta skipti, mikilvægt skref í átt að því að gera sílikon að raunhæfu vali sem gæti bætt kostnað, afköst og hleðsluhraða rafhlöður fyrir rafbíla sem og farsíma, fartölvur, snjallúr og aðrar græjur.

& quot;Margir hafa ímyndað sér hvað gæti verið að gerast en enginn hafði í raun sýnt það áður," sagði Chongmin Wang, vísindamaður við Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. Wang er samsvarandi höfundur blaðsins sem nýlega kom út íNáttúran Nanótækni.

Af kísilskautum, hnetusmjörsbollum og pakkuðum flugfarþegum

Litíumjónir eru orkugjaldmiðillinn í litíumjónarafhlöðu, sem ferðast fram og til baka á milli tveggja rafskauta í gegnum vökva sem kallast raflausn. Þegar litíumjónir fara inn í forskaut úr sílikoni, vöðva þær sig inn í skipulega bygginguna, ýta kísilatómunum á hliðina, eins og sterkur flugfarþegi sem kreistir sig inn í miðsætið á pakkaðri flugi. Þessi"litíum kreista" gerir það að verkum að rafskautið bólgnar upp í þrisvar eða fjórum sinnum upprunalega stærð.

Þegar litíumjónirnar hverfa fara hlutirnir ekki aftur í eðlilegt horf. Auð pláss sem kallast laus rými eru eftir. Tilfærð kísilatóm fylla upp í mörg, en ekki öll, laus sæti, eins og farþegar taka fljótt aftur tóma plássið þegar miðfarþeginn heldur á klósettið. En litíumjónirnar snúa aftur og þrýsta sér inn aftur. Ferlið endurtekur sig þar sem litíumjónirnar sveiflast fram og til baka á milli rafskautsins og bakskautsins og tómu rýmin í kísilskautinu renna saman og mynda tóm eða eyður. Þessar eyður þýða rafhlöðubilun.

Vísindamenn hafa vitað um ferlið í mörg ár, en þeir höfðu'ekki áður orðið vitni að því hvernig það leiðir til rafhlöðubilunar. Sumir hafa rakið bilunina til taps á sílikoni og litíum. Aðrir hafa kennt um þykknun lykilþáttar sem kallast solid-raflausn millifasa eða SEI. SEI er viðkvæm uppbygging á jaðri rafskautsins sem er mikilvæg hlið milli rafskautsins og fljótandi raflausnarinnar.

Í tilraunum sínum fylgdist teymið með því að laus rýmin sem litíumjónir skildu eftir í kísilskautinu þróast í stærri og stærri eyður. Síðan horfðu þeir á þegar fljótandi raflausnin streymdi inn í eyðurnar eins og örsmáar lækir meðfram ströndinni og síast inn í sílikonið. Þetta innstreymi gerði SEI kleift að þróast á svæðum innan kísilsins þar sem hann ætti'ekki að vera, sameindainnrásarher í hluta rafhlöðunnar þar sem hann'ekki tilheyrir.

Það skapaði dauða svæði, eyðilagði getu kísilsins til að geyma litíum og eyðilagði rafskautið.

Hugsaðu um hnetusmjörsbolla í óspilltu formi: Súkkulaðið að utan er aðgreint frá mjúku hnetusmjörinu að innan. En ef þú heldur því of lengi í hendinni með of þéttu handtaki mýkist ytri skelin og blandast mjúka súkkulaðinu að innan. Þú' situr eftir með einn rösklegan massa sem breytist óafturkræft. Þú átt ekki lengur alvöru hnetusmjörsbolla. Sömuleiðis, eftir að raflausnin og SEI síast inn í sílikonið, hafa vísindamenn ekki lengur framkvæmanlegt rafskaut.

Liðið varð vitni að því að þetta ferli hófst strax eftir aðeins eina rafhlöðulotu. Eftir 36 lotur hafði getu rafhlöðunnar' til að halda hleðslu minnkað verulega. Eftir 100 lotur var rafskautið eyðilagt.

Kanna fyrirheit um kísilskaut

Vísindamenn vinna að leiðum til að vernda kísilinn fyrir raflausninni. Nokkrir hópar, þar á meðal vísindamenn við PNNL, eru að þróa húðun sem er hönnuð til að virka sem hliðvörður, sem gerir litíumjónum kleift að fara inn og út úr rafskautinu en stöðva aðra hluti raflausnarinnar.

Vísindamenn frá nokkrum stofnunum sameinuðu sérþekkingu sína til að vinna verkið. Vísindamenn við Los Alamos National Laboratory bjuggu til sílikon nanóvíra sem notaðir voru í rannsókninni. Vísindamenn PNNL unnu ásamt starfsbræðrum hjá Thermo Fisher Scientific að því að breyta kryógenískri rafeindasmásjá til að draga úr skemmdum frá rafeindum sem notaðar eru til myndatöku. Og vísindamenn Penn State háskólans þróuðu reiknirit til að líkja eftir sameindavirkni milli vökvans og kísilsins.

Samanlagt notaði teymið rafeindir til að búa til ofurháupplausnar myndir af ferlinu og endurgerðu myndirnar síðan í þrívídd, svipað og læknar búa til þrívíddarmynd af útlimum eða líffæri sjúklings'.

& quot;Þetta verk býður upp á skýran vegvísi til að þróa sílikon sem rafskaut fyrir rafhlöðu með mikla afkastagetu," sagði Wang.

Hjá PNNL er vinnan hluti af víðtækri rannsóknaráætlun sem rannsakar kísilskaut, þar á meðal upprunaleg efni eins og húðun, nýjar leiðir til að búa til tækin og nýja raflausn sem eykur endingu rafhlöðunnar.

Auk Wang eru aðrir PNNL höfundar blaðsins Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (einnig samsvarandi höfundur) og Ji-Guang (Jason) Zhang.

Uppruni sögunnar:

Efniútvegað afDOE/Pacific Northwest National Laboratory. Frumrit skrifað af Tom Rickey.Athugið: Efni gæti verið breytt fyrir stíl og lengd.