שיטה חדשה להדמיית פירוק אנודת סיליקון צפויה להשיג סוללות נטענות טובות יותר

חוקרים מציעים כי שיטה חדשה לאפיון המבנה וההתפתחות הכימית של הסיליקון, כמו גם שכבה דקה השולטת ביציבות הסוללה, עשויה לסייע בטיפול בסוגיית מניעת השימוש בסיליקון בסוללות בעלות קיבולת גבוהה.

מוקד המחקר הוא בממשק בין האנודה, האלקטרודה השלילית והאלקטרוליט, המאפשר לנוע למטענים בין האנודה לאלקטרודה אחרת (קתודה). שכבת האינטרפאזה המוצקה (SEI) נוצרת בדרך כלל על משטח האלקטרודה שבין האלקטרודה המוצקה לאלקטרוליט הנוזלי, שהיא חיונית לתגובות אלקטרוכימיות בסוללות ולשליטה ביציבות הסוללות. שימוש בסיליקון כאנודה יכול להשיג סוללות נטענות טובות יותר.

בעשר השנים האחרונות, סיליקון משך תשומת לב רבה כאלקטרודה שלילית בעלת קיבולת גבוהה עבור סוללות נטענות. פרופסור ג'אנג סולין ממדע הנדסה ומכניקה וביוטכנולוגיה אמר שכיום סוללות מסחריות משתמשות בגרפיט כחומר האלקטרודה השלילי, אך קיבולת הסיליקון היא בערך פי 10 מזו של גרפיט. לכן, ישנם עשרות מיליונים, מאות מיליונים או אפילו מאות מיליוני דולרים המוקדשים למחקר סוללות סיליקון.

עבור חברה שמקווה לחשמל את התשתית שלה באמצעות כלי רכב חשמליים ומכשירים אלקטרוניים ניידים רבי עוצמה, אלו חדשות טובות, אבל יש גם אתגרים. במהלך תהליך הטעינה והפריקה של סוללות, נפח הסיליקון יתרחב ויתכווץ, מה שיוביל לסדיקה של חומר הסיליקון, ו-SEI ישבר ויתחדש פעם אחר פעם. זה יגרום לאובדן מגע חשמלי ולירידה בקיבולת, שהיא כמות המטען האצורה בסוללה.

הבנה מדויקת של איך תהליך זה מתפתח מבחינה מבנית וכימית חיונית לפתרון בעיות.

מכיוון שהיציבות של שכבה זו שולטת ביציבות הסוללה, אינך רוצה שהיא תגדל ללא שליטה מכיוון שהיווצרות שכבה זו תצרוך חומרים אלקטרוליטים וליתיום פעיל. ג'אנג אמר שזה עלול לגרום לאלקטרוליט להתייבש ולאיבוד החומר הפעיל, ובכך להשפיע לרעה על ביצועי הסוללה.

אתגר מרכזי שג'אנג וצוותו הציגו בכתב העת Nature Nanotechnology הוא היכולת להתבונן, לאפיין ולהבין תהליך זה.

שכבת SEI חיונית לסוללות, אמר ג'אנג, אבל היא דקה מאוד ואי אפשר לראות אותה בשום מיקרוסקופ אופטי, והיא מתפתחת באופן דינמי במהלך רכיבת סוללה. ניתן לראות את זה על ידי מיקרוסקופ אלקטרוני שידור בקנה מידה מאוד ננו, חומרים דקים מאוד. אבל עבור SEI, שכבה זו רכה מאוד וניזוקה בקלות על ידי קרני אלקטרונים, שכן עליך לשלוח כמות גדולה של אלקטרונים כדי לקבל תמונות ברזולוציה גבוהה של הרכב החומר.

כדי להתגבר על בעיה זו, החוקרים השתמשו במיקרוסקופיה של העברת אלקטרונים בסריקה בטמפרטורה נמוכה (קריו STEM). הם שמרו את חומר האלקטרודה במחזור בטמפרטורה נמוכה במהלך ההכנה והשימוש בהדמיית מיקרוסקופיה STEM בטמפרטורה נמוכה כדי למזער נזקים לקרן האלקטרונים לדגימה. בנוסף, הם שילבו טומוגרפיה של אלמנטים רגישים להדמיה תלת מימדית ואלגוריתמים מתקדמים שמטרתם לכידת תמונות במינוני אלקטרונים נמוכים יותר. טכנולוגיה זו משיגה תצוגה תלת-ממדית של אינטראקציית סיליקון SEI, שנלכדה לאחר מחזורי סוללה שונים.

הייחודיות של השיטה שלנו טמונה בהדמיית STEM בטמפרטורה נמוכה ומידול תהליכים רב-פיזיים. ג'אנג אמר שאנו יכולים לדמיין את האבולוציה של סיליקון ו-SEI לאחר רכיבת סוללה; בינתיים, אנו יכולים להשתמש בהדמיות חישוביות כדי לשחזר את כל תהליך התפתחות המיקרו-מבנה במהלך המחזור. זהו החידוש של המחקר הזה.

העבודה של צוות זה אפשרה לאנשים להבין טוב יותר את המנגנונים המובילים לצמיחה וחוסר יציבות של שכבות SEI באנודות סיליקון.

לכן, עם הבנה של מנגנון הצמיחה של שכבות SEI, זה ייתן לנו תובנות רבות כיצד לשפר את הביצועים של אנודות סיליקון או עיצובי סוללות, אמר ג'אנג. אז נוכל לייצר אנודות סיליקון חזקות יותר עבור הדור הבא של סוללות ליתיום.

הוא הסביר שהדור הבא של סוללות ליתיום יביא יתרונות רבים לתעשייה ולצרכנים הרגילים.

סיליקון נמצא בשפע מאוד, ואם נוכל להשתמש בסיליקון כאנודה עם חיי מחזור ארוכים, נגדיל מאוד את הקיבולת של סוללות נטענות, אמר ג'אנג. יתרה מכך, בשל משאבי הסיליקון הרבים, הדבר יוריד את מחיר הסוללות.

עם הבנה קריטית של התפתחות שכבת SEI במהלך טעינה ופריקה של סוללות אלקטרודות סיליקון שליליות, ג'אנג אמר שהשלב הבא יהיה להשתמש בידע הזה כדי לעזור לתכנן סוללת אלקטרודה שלילית סיליקון שלא תאבד קיבולת עקב רכיבה על אופניים.

"עם הבנה של המנגנונים הפוטנציאליים, השלב הבא הוא לייצר כמה השערות מדעיות," אמר ג'אנג. לאחר מכן, נבדוק השערה זו באמצעות אנודת סיליקון כדי שנוכל למתן את ההשפעות השליליות הקשורות לשינויים בנפח הסיליקון. על ידי שליטה בגורמים הבלתי נשלטים הנוכחיים, אנו יכולים לעצב אלקטרודות סיליקון עם ביצועים טובים יותר.

חוקרים מאוניברסיטת מדינת פנסילבניה, יחד עם ג'אנג, השתתפו במחקר זה, כולל סטודנטים לתואר שני במדעי הנדסה ומכניקה טיאנוו צ'ן ודינגצ'ואן שו. חוקרים אחרים כוללים את Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin וז'אנג Jiguang מהמעבדה הלאומית של צפון מערב האוקיינוס ​​השקט; מ-ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan, and TedTessner; מהמעבדה הלאומית של לוס אלמוס, JinkyoungYoo. משרד האנרגיה והקרן הלאומית למדע תמכו במחקר זה.