Cyhyrau Anodau Silicon mewn Technoleg Batri

Mae silicon yn staple o'r chwyldro digidol, yn siyntio llwythi o signalau ar ddyfais sydd' s yn debygol dim ond modfedd o'ch llygaid ar yr union foment hon.

Nawr, mae'r un deunydd toreithiog, rhad hwnnw'n dod yn ymgeisydd difrifol am rôl fawr yn y busnes batri cynyddol. Mae'n' s yn arbennig o ddeniadol oherwydd ei fod' s yn gallu dal 10 gwaith cymaint o egni mewn rhan bwysig o fatri, yr anod, na graffit a ddefnyddir yn helaeth.

Ond ddim mor gyflym. Er bod gan silicon enw da am chwyddo ymhlith gwyddonwyr, mae'r deunydd ei hun yn chwyddo pan fydd yn' s yn rhan o fatri. Mae'n chwyddo cymaint nes bod yr anod yn naddu ac yn cracio, gan beri i'r batri golli ei allu i ddal gwefr ac yn y pen draw fethu.

Nawr mae gwyddonwyr wedi bod yn dyst i'r broses am y tro cyntaf, cam pwysig tuag at wneud silicon yn ddewis hyfyw a allai wella cost, perfformiad a chyflymder gwefru batris ar gyfer cerbydau trydan yn ogystal â ffonau symudol, gliniaduron, gwylio craff a theclynnau eraill.

& quot; Mae llawer o bobl wedi dychmygu beth allai fod yn digwydd ond nid oedd unrhyw un wedi ei ddangos o'r blaen," meddai Chongmin Wang, gwyddonydd yn Labordy Cenedlaethol yr Adran Ynni' s Pacific Northwest. Mae Wang yn awdur cyfatebol ar y papur a gyhoeddwyd yn ddiweddar ynNanotechnoleg Natur.

O anodau silicon, cwpanau menyn cnau daear a theithwyr hedfan wedi'u pacio

Ïonau lithiwm yw'r arian cyfred mewn batri lithiwm-ion, gan deithio yn ôl ac ymlaen rhwng dau electrod trwy hylif o'r enw electrolyt. Pan fydd ïonau lithiwm yn mynd i mewn i anod wedi'i wneud o silicon, maent yn cyhyr eu ffordd i'r strwythur trefnus, gan wthio'r atomau silicon yn ofynol, fel teithiwr cwmni hedfan cryf yn gwasgu i'r sedd ganol ar hediad llawn. Y dyfyniad hwn &; gwasgfa lithiwm" yn gwneud i'r anod chwyddo i dair neu bedair gwaith ei faint gwreiddiol.

Pan fydd yr ïonau lithiwm yn gadael, mae pethau don' t yn dychwelyd i normal. Erys lleoedd gwag a elwir yn swyddi gwag. Mae atomau silicon wedi'u dadleoli yn llenwi llawer o'r swyddi gwag, ond nid pob un, fel teithwyr yn mynd â'r lle gwag yn ôl yn gyflym pan fydd y teithiwr canol yn anelu am yr ystafell orffwys. Ond mae'r ïonau lithiwm yn dychwelyd, gan wthio eu ffordd i mewn eto. Mae'r broses yn ailadrodd wrth i'r ïonau lithiwm sgwennu yn ôl ac ymlaen rhwng yr anod a'r catod, ac mae'r lleoedd gwag yn yr anod silicon yn uno i ffurfio gwagleoedd neu fylchau. Mae'r bylchau hyn yn trosi i fethiant batri.

Mae gwyddonwyr wedi gwybod am y broses ers blynyddoedd, ond ni wnaethant' t cyn gweld yn union sut y mae'n arwain at fethiant batri. Mae rhai wedi priodoli'r methiant i golli silicon a lithiwm. Mae eraill wedi beio tewychu cydran allweddol o'r enw interphase solid-electrolyte neu SEI. Mae'r SEI yn strwythur cain ar ymyl yr anod sy'n borth pwysig rhwng yr anod a'r electrolyt hylif.

Yn ei arbrofion, gwyliodd y tîm wrth i'r swyddi gwag a adawyd gan ïonau lithiwm yn yr anod silicon esblygu i fylchau mwy a mwy. Yna buon nhw'n gwylio wrth i'r electrolyt hylif lifo i'r bylchau fel rivulets bach ar hyd traethlin, gan ymdreiddio i'r silicon. Caniataodd y mewnlif hwn i'r SEI ddatblygu mewn ardaloedd o fewn y silicon lle na ddylai' t fod, goresgynnwr moleciwlaidd mewn rhan o'r batri lle nad yw'n perthyn' t.

Fe greodd hynny barthau marw, gan ddinistrio gallu'r silicon i storio lithiwm a difetha'r anod.

Meddyliwch am gwpan menyn cnau daear mewn siâp pristine: Mae'r siocled y tu allan yn wahanol i'r menyn cnau daear meddal y tu mewn. Ond os ydych chi'n ei ddal yn eich llaw yn rhy hir gyda gafael rhy dynn, mae'r gragen allanol yn meddalu ac yn cymysgu â'r siocled meddal y tu mewn. Rydych chi' yn cael eich gadael gydag un màs anhrefnus y mae ei strwythur yn cael ei newid yn anadferadwy. Nid oes gennych gwpan menyn cnau daear go iawn mwyach. Yn yr un modd, ar ôl i'r electrolyt a'r SEI ymdreiddio i'r silicon, nid oes gan wyddonwyr anod ymarferol mwyach.

Gwelodd y tîm fod y broses hon yn cychwyn yn syth ar ôl un cylch batri yn unig. Ar ôl 36 cylch, roedd gallu'r batri' s i ddal gwefr wedi gostwng yn ddramatig. Ar ôl 100 cylch, difethwyd yr anod.

Archwilio'r addewid o anodau silicon

Mae gwyddonwyr yn gweithio ar ffyrdd i amddiffyn y silicon rhag yr electrolyt. Mae sawl grŵp, gan gynnwys gwyddonwyr yn PNNL, yn datblygu haenau sydd wedi'u cynllunio i weithredu fel porthorion, gan ganiatáu i ïonau lithiwm fynd i mewn ac allan o'r anod wrth atal cydrannau eraill o'r electrolyt.

Cyfunodd gwyddonwyr o sawl sefydliad eu harbenigedd i wneud y gwaith. Creodd gwyddonwyr yn Labordy Cenedlaethol Los Alamos y nanowires silicon a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth. Cydweithiodd gwyddonwyr PNNL â chymheiriaid yn Thermo Fisher Scientific i addasu microsgop electron trawsyrru cryogenig i leihau'r difrod o'r electronau a ddefnyddir ar gyfer delweddu. A datblygodd gwyddonwyr Prifysgol Talaith Penn algorithm i efelychu'r gweithredu moleciwlaidd rhwng yr hylif a'r silicon.

At ei gilydd, defnyddiodd y tîm electronau i wneud delweddau cydraniad uchel iawn o'r broses ac yna ailadeiladwyd y delweddau mewn 3D, yn debyg i sut mae meddygon yn creu delwedd 3D o aelod neu organ' s.

& quot; Mae'r gwaith hwn yn cynnig map ffordd clir ar gyfer datblygu silicon fel yr anod ar gyfer batri capasiti uchel," meddai Wang.

Yn PNNL, mae'r gwaith yn rhan o raglen ymchwil eang sy'n archwilio anodau silicon, gan gynnwys deunyddiau gwreiddiol fel haenau, ffyrdd newydd o wneud y dyfeisiau, ac electrolyt newydd sy'n cynyddu bywyd batri.

Yn ogystal â Wang, mae awduron PNNL eraill y papur yn cynnwys Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (hefyd yn awdur cyfatebol) a Ji-Guang (Jason) Zhang.

Ffynhonnell y Stori:

Deunyddiaua ddarparwyd ganLabordy Cenedlaethol DOE / Pacific Northwest. Ysgrifennwyd y gwreiddiol gan Tom Rickey.Nodyn: Gellir golygu cynnwys ar gyfer arddull a hyd.