Křemíková anodová nanostruktura vytváří nový potenciál pro lithium-iontové baterie

Autor:

Nanočástice vyrobené z tantalu se pěstují v 1 komoře. V této komoře se jednotlivé atomy tantalu shlukují, podobně jako tvorba dešťových kapek. Ve druhé komoře jsou nanočástice masivně filtrovány a odstraňovány příliš velké nebo příliš malé. Vrstva nanočástic je uložena ve 3 komorách. Tato vrstva je poté „nastříkána“ izolovanými atomy křemíku za vzniku vrstvy křemíku. Tento proces lze poté opakovat a vytvořit vícevrstvou strukturu. Půjčka Schéma vytvořil Pavel Puchenkov, OIST Scientific Computing Department Oddělení analýzy dat

Vědci objevují novou nanostrukturu, která by mohla způsobit revoluci v technologii baterií i mimo ni.

  • Nový výzkum objevil nanostrukturu, která zlepšuje anit v lithium-iontových bateriích
  • Místo použití grafitu pro anodu se vědci obrátili na křemík. Materiál, který drží více náboje, ale je náchylnější k rozbití.
  • Tým vytvořil křemíkovou anodu umístěním atomů křemíku na kovové nanočástice.
  • Výsledná nanostruktura vytvořila oblouky, což zvyšuje pevnost anody a strukturní integritu
  • Elektrochemické testy ukázaly, že lithium-iontové baterie se zlepšenými křemíkovými anodami mají vyšší kapacitu nabíjení – delší životnost

Nová studie absolventa Okinawského institutu vědy a technologie (OIST) zjistila, že existuje speciální stavební materiál, který zlepšuje anit v lithium-iontových bateriích. Jsou odhaleny jedinečné vlastnosti struktury konstruované pomocí technologie nanočástic և vysvětleno dnes (5. února 2021) Kontaktní materiály:,

Výkonné, přenosné dobíjecí lithium-iontové baterie jsou výkonnou součástí nejmodernější technologie v chytrých telefonech, laptopech a elektrických automobilech. V roce 2019 byl jasně rozpoznán jejich potenciál revoluce v tom, jak se budeme akumulovat, spotřebovávat a spotřebovávat v budoucnosti, když se vzdálíme od fosilních paliv.

Grafit se tradičně používá pro anodu lithium-iontové baterie, ale tento uhlíkový materiál má mnoho omezení.

„Když se baterie nabíjí, musí se lithiové ionty pohybovat z jedné strany baterie, z katody, přes roztok elektrolytu na druhou stranu baterie, anodu. „Poté, když je použita baterie, jsou lithiové ionty přeneseny zpět na katodu; z baterie je vyzařován elektrický proud,“ uvedla dr. Marta Harro, hlavní autorka studie. „Ale k udržení jednoho lithiového iontu v grafitových anodách potřebujete šest atomů uhlíku, takže hustota energie těchto baterií je nízká.“

Věda a průmysl, které v současné době studují použití lithium-iontových baterií k napájení elektrických vozidel, kosmických lodí a zlepšení hustoty energie, jsou velmi důležité. Vědci nyní hledají nové materiály, které by mohly zvýšit množství iontů lithia uložených v anodě.

Jedním z nejslibnějších kandidátů je křemík, který může vázat čtyři ionty lithia na každý křemík. atom,

Růst křemíkové membrány - fáze mechanické pevnosti

V první fázi existuje silikonová membrána jako tuhá, ale kolísavá sloupovitá struktura. Ve druhé fázi se sloupy dotýkají vrcholu a vytvářejí klenutou strukturu, která je silná díky působení oblouku. Ve třetí fázi následná depozice atomů křemíku vytváří houbovitou strukturu. Přerušované čáry ukazují, jak se křemík deformuje při působení síly. Půjčka Schéma vytvořil Dr. Panagiotis Gramatikopoulos, nanočástice OIST: Design Unit and Particle Technology Laboratory, ETH üurich

„Křemíkové anody pojmou v daném objemu desetkrát více náboje než grafitové anody. Celá řádová hodnota, pokud jde o hustotu energie, “řekl Dr. Haro. „Problém je v tom, že když jsou lithiové ionty transportovány do anody, je změna objemu obrovská a dosahuje asi 400%, což vede k rozpadu elektrody.“

Velká změna objemu také zabrání stabilnímu vytvoření ochranné vrstvy mezi „anodou“ elektrolytu. Pokaždé, když se baterie dobíjí, musí být tato vrstva průběžně opravována pomocí omezeného přísunu lithiových iontů, aby se snížila životnost a dobití baterie.

„Naším cílem bylo pokusit se vytvořit silnější anodu, která by dokázala vydržet napětí, která by dokázala absorbovat co nejvíce lithia a poskytnout co nejvíce nabíjecích cyklů, než se zhorší,“ uvedl Dr. Gramatikopoulos, hlavní autor článku. „A naším přístupem bylo vybudovat strukturu s nanočásticemi.“

V předchozím článku publikovaném v roce 2017 Pokročilá věda, již rozpuštěné nanočástice OIST Konstrukční jednotka vyvinula vrstevnatou strukturu podobnou dortu, kde byla každá vrstva křemíku umístěna mezi tantalové nanočástice. To zlepšilo strukturální integritu křemíkové anody a zabránilo nadměrnému bobtnání.

Při experimentování s různými tloušťkami silikonové vrstvy, aby zjistili, jak ovlivňuje elastické vlastnosti materiálu, si vědci všimli něčeho zvláštního.

„Ve specifické tloušťce křemíkové vrstvy byl bod, kde se úplně změnily tahové vlastnosti konstrukce,“ řekl Theo Bulumis, současný postgraduální student OIST, který provedl experiment. „Materiál se postupně vytvrzoval, ale poté se tvrdost rychle snižovala, když se tloušťka křemíkové vrstvy dále zvětšovala. „Měli jsme nějaké nápady, ale v té době jsme neznali základní důvod, proč k této změně došlo.“

Nyní tato nová práce konečně vysvětluje možné zvýšení tuhosti na možnou tloušťku.

Pomocí počítačového modelování mikroskopu na atomové úrovni vědci prokázali, že atomy křemíku netvořily jednotnou vrstvu na vrstvě nanočástic. Místo toho tvoří sloupce ve tvaru obráceného kužele, které se zvětšují a zvětšují, jak se usazují další atomy křemíku. Nakonec se jednotlivé sloupce křemíku navzájem dotýkají a vytvářejí klenutou strukturu.

„Struktura oblouku je silná, stejně jako oblouk je silný ve stavebním průmyslu,“ řekl Dr. Gramatikopoulos. „Stejná myšlenka platí i pro nanoměřítko.“

Je možné, že zvýšená pevnost konstrukce se shodovala se zvýšeným výkonem baterie. Když vědci prováděli elektrochemické experimenty, zjistili, že lithium-iontová baterie má dobíjecí kapacitu. Ochranná vrstva byla také stabilnější, což znamená, že baterie vydrží více nabíjecích cyklů.

Tato vylepšení jsou patrná pouze při dotyku sloupců. Před tímto okamžikem kolísají jednotlivé sloupy և nemohou zajistit strukturální integritu anody. A pokud se křemík po dotyku s kolonami usadí, vytvoří porézní film s mnoha dutinami, což má za následek slabé chování podobné houbičkám.

Nejenže je objevení skryté struktury, jejích jedinečných vlastností, nejen možným krokem ke komercializaci křemíkových anod v lithium-iontových bateriích, ale také mnoho dalších potenciálních aplikací v materiálových vědách.

„Klenutou strukturu lze použít, když jsou zapotřebí materiály, které jsou silné a vydrží různá namáhání, jako jsou například bioplyny nebo skladování vodíku,“ uvedl Dr. „Přesný typ materiálu, který potřebujete – silnější nebo měkčí, pružnější nebo méně pružný – lze přesně vyrobit jednoduše změnou tloušťky vrstvy. To je krása nanostruktur. “

Odkaz. 5. února 2021 Kontaktní materiály:,
DOI: 10.1038 / s43246-021-00119-0:

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Aby se objev urychlil, vychází z mřížky vysoce dimenzionální infračervený mikroskop

Příklad vzoru dlaždice použitého ke skenování kulatého červa C. elegans. Non-grid pattern dává algoritmu vzorkování větší flexibilitu pro rychlé resetování oblastí zájmu. ...

Starověcí zirkonové říkají, že desková tektonika začala před 3,6 miliardami let – významná událost pro přivítání Země k životu

Zirkony studované výzkumným týmem byly vyfotografovány pomocí katholluminiscence, techniky, která umožňuje týmu vizualizovat vnitřek krystalů pomocí speciálního rastrovacího elektronového mikroskopu. Tmavé kruhy na...

Můžeme opioidy zvýšit návykovostí? [Video]

V roce 2017 byly miliony lidí po celém světě závislí na opioidech a 115 000 zemřelo na předávkování. Opioidy jsou nejsilnější léky proti bolesti, které...

V místě vazby protilátek ve variantách viru COVID-19 – hlavní důsledky pro budoucí vakcíny

Výzkumný tým Penn State zjistil, že N protein na SARS-CoV-2 je uložen ve všech pandemických koronavirech souvisejících se SARS (nahoře vlevo: SARS-CoV-2, civet, SARS-CoV,...

NASA investuje 105 milionů amerických dolarů do vývoje inovativních technologií pro malé podniky ve Spojených státech

NASA Má dlouhou historii podpory amerických podnikatelů při vývoji technologií od nápadu po obchodní připravenost. Agenturní program Small Business Innovation Research (SBIR) dále podporoval...

Newsletter

Subscribe to stay updated.