Ränianoodide lihased akutehnoloogias

Räni on digitaalse revolutsiooni põhiosa, mis juhib palju signaale seadmes, mis' on praegu tõenäoliselt teie silmadest vaid tolli kaugusel.

Nüüd on seesama rikkalik ja odav materjal muutumas tõsiseks kandidaadiks kasvavas akuäris suurele rollile. See' on eriti atraktiivne, kuna' suudab aku olulises osas, anoodis, hoida 10 korda rohkem energiat kui laialdaselt kasutatav grafiit.

Aga mitte nii kiiresti. Kui räni maine teadlaste seas on kõrge, siis materjal ise paisub, kui see' on aku osa. See paisub nii palju, et anood helbed ja pragunevad, mistõttu aku kaotab võime laengut hoida ja lõpuks rikke.

Nüüd on teadlased protsessi esimest korda tunnistajaks, mis on oluline samm räni muutmisel elujõuliseks valikuks, mis võib parandada elektrisõidukite, aga ka mobiiltelefonide, sülearvutite, nutikellade ja muude vidinate akude maksumust, jõudlust ja laadimiskiirust.

& quot;Paljud inimesed on ette kujutanud, mis võib juhtuda, kuid keegi polnud seda varem demonstreerinud," ütles Chongmin Wang, energeetikaministeeriumi' Vaikse ookeani loodeosa riikliku labori teadlane. Wang on hiljuti avaldatud artikli vastav autorLooduse nanotehnoloogia.

Silikoonanoodidest, maapähklivõitopsidest ja pakitud lennureisijatest

Liitiumioonid on liitiumioonaku energiavaluuta, mis liigub kahe elektroodi vahel edasi-tagasi läbi vedeliku, mida nimetatakse elektrolüüdiks. Kui liitiumioonid sisenevad ränist valmistatud anoodi, sisenevad nad korrapärasesse struktuuri, lükates räni aatomeid viltu, nagu jässakas lennureisija, kes surub täislennul keskmisele istmele. See"liitiumi pigistamine" paneb anoodi paisuma kolm-neli korda esialgsest suurusest.

Kui liitiumioonid lahkuvad, ei normaliseeru asjad' Tühjad kohad, mida nimetatakse vabadeks kohtadeks, jäävad alles. Ümberasustatud räniaatomid täidavad paljusid, kuid mitte kõiki vabu kohti, näiteks reisijad võtavad tühja ruumi kiiresti tagasi, kui keskmine reisija tualettruumi suundub. Kuid liitiumioonid naasevad, surudes end uuesti sisse. Protsess kordub, kui liitiumioonid liiguvad anoodi ja katoodi vahel edasi-tagasi ning ränianoodi tühjad ruumid ühinevad, moodustades tühimikud või tühimikud. Need lüngad tähendavad aku riket.

Teadlased on protsessist teadnud juba aastaid, kuid nad polnud' varem näinud täpselt, kuidas see aku rikke põhjustab. Mõned on pidanud ebaõnnestumise põhjuseks räni ja liitiumi kadu. Teised on süüdistanud tahke elektrolüüdi interfaasi ehk SEI-na tuntud võtmekomponendi paksenemist. SEI on õrn struktuur anoodi servas, mis on oluline värav anoodi ja vedela elektrolüüdi vahel.

Oma katsetes jälgis töörühm, kuidas liitiumioonide poolt ränianoodil tekkinud vabad kohad arenesid üha suuremateks tühikuteks. Seejärel vaatasid nad, kuidas vedel elektrolüüt voolas tühimikesse nagu pisikesed ojad piki kaldajoont, imbudes räni. See sissevool võimaldas SEI-l areneda räni piirkondades, kus see ei tohiks olla, molekulaarne sissetungija aku selles osas, kuhu see' ei kuulu.

See tekitas surnud tsoonid, hävitades räni võime säilitada liitiumi ja rikkuda anoodi.

Mõelge põlise kujuga maapähklivõitopsile: väljastpoolt olev šokolaad erineb pehmest maapähklivõist. Aga kui hoiate seda liiga kaua käes liiga tugeva haardega, siis väliskest pehmeneb ja seguneb sees oleva pehme šokolaadiga. Teile' jääb üks korratu mass, mille struktuur on pöördumatult muutunud. Sul pole enam tõelist maapähklivõitopsi. Samuti pole pärast elektrolüüdi ja SEI räni imbumist teadlastel enam töötavat anoodi.

Meeskond nägi, et see protsess algas kohe pärast ühte akutsüklit. Pärast 36 tsüklit oli aku' laadimisvõime järsult langenud. Pärast 100 tsüklit oli anood rikutud.

Ränianoodide lubaduste uurimine

Teadlased töötavad selle kallal, kuidas kaitsta räni elektrolüüdi eest. Mitmed rühmad, sealhulgas PNNL-i teadlased, töötavad välja katteid, mis on loodud toimima väravavahtidena, võimaldades liitiumioonidel anoodile siseneda ja sealt välja minna, peatades samal ajal elektrolüüdi muud komponendid.

Mitme asutuse teadlased ühendasid selle töö tegemiseks oma teadmised. Los Alamose riikliku labori teadlased lõid uuringus kasutatud räni nanojuhtmed. PNNL-i teadlased töötasid koos Thermo Fisher Scientificu kolleegidega, et muuta krüogeenset ülekandeelektronmikroskoopi, et vähendada pildistamiseks kasutatavate elektronide kahjustusi. Ja Penn State University teadlased töötasid välja algoritmi vedeliku ja räni vahelise molekulaarse toime simuleerimiseks.

Kokkuvõttes kasutas töörühm elektrone, et teha protsessist ülikõrge eraldusvõimega pilte ja seejärel rekonstrueeriti kujutised 3D-vormingus, sarnaselt sellele, kuidas arstid loovad patsiendi' jäsemest või elundist 3D-pildi.

& quot;See töö pakub selget tegevuskava räni väljatöötamiseks suure võimsusega aku anoodina," ütles Wang.

PNNL-is on töö osa laiaulatuslikust uurimisprogrammist, milles uuritakse ränianoode, sealhulgas originaalmaterjale, nagu katteid, uusi seadmete valmistamise viise ja uut elektrolüüti, mis pikendab aku kasutusaega.

Lisaks Wangile on artikli teiste PNNL-i autorite seas Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li (samuti vastav autor) ja Ji-Guang (Jason) Zhang.

Loo allikas:

Materjalidpoolt ette nähtudDOE / Vaikse ookeani loodeosa riiklik labor. Originaali kirjutas Tom Rickey.Märkus. Sisu saab muuta stiili ja pikkuse järgi.