オンバッテリー技術におけるシリコンアノードの筋肉

シリコンはデジタル革命の定番であり、&＃39;この瞬間にあなたの目からわずか数センチのところにあるデバイス上の信号の負荷をシャントします。

現在、その同じ豊富で安価な材料は、急成長しているバッテリービジネスにおける大きな役割の真剣な候補になりつつあります。 &＃39;バッテリーの重要な部分であるアノードに、広く使用されているグラファイトの10倍のエネルギーを保持できるため、特に魅力的です。

しかし、それほど速くはありません。 シリコンは科学者の間でうねりの評判がありますが、&＃39;バッテリーの一部である場合、材料自体がうねりを起こします。 それは非常に膨潤するため、アノードが剥がれ落ち、バッテリーが充電を保持する能力を失い、最終的には故障します。

現在、科学者はこのプロセスを初めて目撃しました。これは、電気自動車、携帯電話、ラップトップ、スマートウォッチ、その他のガジェットのバッテリーのコスト、パフォーマンス、充電速度を向上させる可能性のあるシリコンを実行可能な選択肢にするための重要なステップです。

& quot;多くの人が何が起こっているのか想像していましたが、実際にそれを実証した人は誰もいませんでした、& quot; エネルギー省&＃39;のパシフィックノースウェスト国立研究所の科学者であるChongminWangは述べた。 王は最近出版された論文の対応する著者ですネイチャーナノテクノロジー。

シリコンアノード、ピーナッツバターカップ、および満員の航空会社の乗客

リチウムイオンは、リチウムイオン電池のエネルギー通貨であり、電解質と呼ばれる液体を通って2つの電極間を行き来します。 リチウムイオンがシリコン製のアノードに入ると、リチウムイオンは整然とした構造になり、満員のフライトで頑丈な航空会社の乗客が中央の座席に押し込むように、シリコン原子を斜めに押し出します。 この& quot;リチウムスクイーズ& quot; アノードを元のサイズの3〜4倍に膨潤させます。

リチウムイオンが出て行くとき、物事は&＃39;正常に戻りません。 空室と呼ばれる空のスペースが残っています。 移動したシリコン原子は、空席のすべてではありませんが多くを埋めます。たとえば、中央の乗客がトイレに向かうときに、乗客はすぐに空きスペースを取り戻します。 しかし、リチウムイオンは戻ってきて、再び押し込みます。 このプロセスは、リチウムイオンがアノードとカソードの間を行き来するときに繰り返され、シリコンアノードの空きスペースが合流してボイドまたはギャップを形成します。 これらのギャップは、バッテリーの故障につながります。

科学者たちはこのプロセスについて何年も前から知っていましたが、&＃39; tは、それがどのようにバッテリーの故障につながるのかを正確に目撃する前はありませんでした。 シリコンとリチウムの損失が原因であると考える人もいます。 他の人々は、固体電解質中間相またはSEIとして知られている重要な成分の肥厚を非難しました。 SEIは、アノードと液体電解質の間の重要なゲートウェイであるアノードの端にある繊細な構造です。

その実験では、チームは、シリコンアノードにリチウムイオンによって残された空孔がますます大きなギャップに進化するのを観察しました。 それから彼らは、液体電解質が海岸線に沿った小さな小川のように隙間に流れ込み、シリコンに浸透するのを見ました。 この流入により、SEIは、シリコン内で&＃39;であってはならない領域、つまり&＃39;ではないバッテリーの一部に分子が侵入する領域で発生することができました。

それは不感帯を作り、リチウムを貯蔵するシリコンの能力を破壊し、アノードを台無しにしました。

手付かずの形のピーナッツバターカップを考えてみてください。外側のチョコレートは、内側の柔らかいピーナッツバターとは異なります。 しかし、握りすぎて手に長く持ちすぎると、外殻が柔らかくなり、中の柔らかいチョコレートと混ざり合います。 あなた&＃39;構造が不可逆的に変化する単一の無秩序な塊が残っています。 あなたはもはや本当のピーナッツバターカップを持っていません。 同様に、電解質とSEIがシリコンに浸透した後、科学者はもはや実用的なアノードを持っていません。

チームは、このプロセスが1回のバッテリーサイクルの直後に始まるのを目撃しました。 36サイクル後、バッテリー&＃39;の充電能力は劇的に低下しました。 100サイクル後、アノードが台無しになりました。

シリコンアノードの可能性を探る

科学者たちは、電解質からシリコンを保護する方法に取り組んでいます。 PNNLの科学者を含むいくつかのグループは、ゲートキーパーとして機能するように設計されたコーティングを開発しており、電解質の他のコンポーネントを停止しながら、リチウムイオンがアノードに出入りできるようにしています。

いくつかの機関の科学者は、彼らの専門知識をプールして仕事をしました。 ロスアラモス国立研究所の科学者は、研究で使用されるシリコンナノワイヤーを作成しました。 PNNLの科学者は、Thermo Fisher Scientificのカウンターパートと協力して、極低温透過型電子顕微鏡を改造し、イメージングに使用される電子による損傷を軽減しました。 また、ペンシルバニア州立大学の科学者は、液体とシリコンの間の分子作用をシミュレートするアルゴリズムを開発しました。

全体として、チームは電子を使用してプロセスの超高解像度画像を作成し、医師が患者の3D画像を作成する方法と同様に3Dで画像を再構築しました&＃39;手足または臓器。

& quot;この作業は、大容量バッテリーのアノードとしてシリコンを開発するための明確なロードマップを提供します。& quot; 王は言った。

PNNLでの作業は、コーティングなどの元の材料、デバイスの新しい製造方法、バッテリー寿命を延ばす新しい電解質など、シリコンアノードを調査する幅広い研究プログラムの一部です。

王に加えて、この論文の他のPNNLの著者には、Yang He、Yaobin Xu、Haiping Jia、Ran Yi、Miao Song、Xiaolin Li（対応する著者）、Ji-Guang（Jason）Zhangが含まれます。

ストーリーソース：

材料によって提供されたDOE /パシフィックノースウェスト国立研究所。 トム・リッキーによって書かれたオリジナル。注：コンテンツは、スタイルと長さを編集できます。