배터리 기술의 실리콘 양극 근육

실리콘은 디지털 혁명의 필수 요소로, 바로 지금 이 순간에 눈에서 불과 몇 인치 거리에 있는 장치에서 많은 신호를 분로합니다.

이제 그 풍부하고 저렴한 재료가 급성장하는 배터리 사업에서 중요한 역할을 하기 위한 진지한 후보가 되고 있습니다. 전지의 중요한 부분인 양극에 널리 사용되는 흑연보다 10배나 많은 에너지를 저장할 수 있어 특히 매력적입니다.

그러나 그렇게 빠르지는 않습니다. 실리콘은 과학자들 사이에서 팽창하는 것으로 유명하지만 배터리의 일부가 되면 재료 자체가 팽창합니다. 너무 많이 부풀어 오르면 양극이 갈라지고 갈라져 배터리가 충전을 유지하는 능력을 잃고 궁극적으로 고장납니다.

이제 과학자들은 이 과정을 처음으로 목격했으며, 이는 휴대폰, 노트북, 스마트 시계 및 기타 장치는 물론 전기 자동차용 배터리의 비용, 성능 및 충전 속도를 향상시킬 수 있는 실리콘을 실행 가능한 선택으로 만드는 중요한 단계입니다.

& quot;많은 사람들이 무슨 일이 벌어질지 상상했지만 실제로 시연한 사람은 없었습니다." 에너지부& #39;태평양 북서부 국립 연구소의 과학자 왕종민은 말했습니다. Wang은 최근 에 발표된 논문의 교신저자입니다.자연나노기술.

실리콘 양극, 땅콩 버터 컵 및 포장된 승객의

리튬 이온은 리튬 이온 배터리의 에너지 통화로 전해질이라는 액체를 통해 두 전극 사이를 앞뒤로 이동합니다. 리튬 이온이 실리콘으로 만들어진 양극에 들어갈 때, 그들은 꽉 찬 비행기의 중간 좌석으로 꽉 조이는 뚱뚱한 여객기처럼 실리콘 원자를 비스듬히 밀어 질서정연한 구조로 들어가게 됩니다. 이"리튬 스퀴즈" 양극이 원래 크기의 3~4배로 팽창합니다.

리튬 이온이 출발하면 상황이 정상으로 돌아오지 않습니다. 공석으로 알려진 빈 공간이 남아 있습니다. 중간 승객이 화장실로 향할 때 승객이 재빨리 빈 공간을 되찾는 것과 같이, 치환된 실리콘 원자가 빈 공간의 전부는 아니지만 많은 것을 채웁니다. 그러나 리튬 이온은 되돌아와 다시 밀어 넣습니다. 리튬 이온이 양극과 음극 사이에서 빠르게 이동하고 실리콘 양극의 빈 공간이 합쳐져 공극이나 간극이 형성되면서 이 과정이 반복됩니다. 이러한 격차는 배터리 고장으로 이어집니다.

과학자들은 이 과정에 대해 수년 동안 알고 있었지만 배터리 고장이 어떻게 발생하는지 정확히 목격한 적이 없었습니다. 일부에서는 실리콘과 리튬의 손실이 실패의 원인이라고 주장합니다. 다른 사람들은 고체-전해질 간상 또는 SEI로 알려진 핵심 구성요소의 농축을 비난했습니다. SEI는 양극과 액체 전해질 사이의 중요한 관문인 양극 가장자리의 섬세한 구조입니다.

실험에서 팀은 실리콘 양극에서 리튬 이온에 의해 남겨진 공석이 점점 더 큰 간격으로 진화하는 것을 관찰했습니다. 그런 다음 그들은 액체 전해질이 해안선을 따라 작은 개울처럼 틈으로 흘러 실리콘에 침투하는 것을 관찰했습니다. 이러한 유입으로 인해 SEI는 실리콘 내에서 발생하지 않아야 하는 영역, 즉 속하지 않아야 하는 배터리 부분의 분자 침입자가 발생할 수 있습니다.

그것은 사각 지대를 만들어 리튬을 저장하는 실리콘의 능력을 파괴하고 양극을 망쳤습니다.

원래 모양의 땅콩 버터 컵을 생각해보십시오. 외부 초콜릿은 내부의 부드러운 땅콩 버터와 다릅니다. 그러나 너무 세게 쥐고 너무 세게 잡으면 겉 껍질이 부드러워지고 속은 부드러운 초콜릿과 섞이게 된다. 당신은 구조가 돌이킬 수 없게 변한 하나의 무질서한 덩어리를 남겼습니다. 더 이상 진정한 땅콩 버터 컵이 없습니다. 마찬가지로 전해질과 SEI가 실리콘에 침투한 후 과학자들은 더 이상 작동 가능한 양극을 갖지 않습니다.

팀은 이 프로세스가 단 한 번의 배터리 사이클 후에 즉시 시작되는 것을 목격했습니다. 36 사이클 후 배터리'#39;충전 유지 능력이 급격히 떨어졌습니다. 100 사이클 후에 양극이 망가졌습니다.

실리콘 양극의 가능성 탐구

과학자들은 전해질로부터 실리콘을 보호하는 방법을 연구하고 있습니다. PNNL의 과학자들을 포함한 여러 그룹은 게이트키퍼 역할을 하도록 설계된 코팅을 개발하고 있어 리튬 이온이 양극으로 들어오고 나갈 수 있도록 하면서 전해질의 다른 구성 요소를 차단합니다.

여러 기관의 과학자들이 전문 지식을 모아 작업을 수행했습니다. Los Alamos National Laboratory의 과학자들은 연구에 사용된 실리콘 나노와이어를 만들었습니다. PNNL 과학자들은 Thermo Fisher Scientific의 동료와 협력하여 이미징에 사용되는 전자의 손상을 줄이기 위해 극저온 투과 전자 현미경을 수정했습니다. 그리고 Penn State University 과학자들은 액체와 실리콘 사이의 분자 작용을 시뮬레이션하는 알고리즘을 개발했습니다.

이 팀은 전체적으로 전자를 사용하여 프로세스의 초고해상도 이미지를 만든 다음 의사가 환자의 사지 또는 장기의 3D 이미지를 만드는 것과 유사한 3D로 이미지를 재구성했습니다.

& quot;이번 작업은 고용량 배터리의 양극으로 실리콘을 개발하기 위한 명확한 로드맵을 제공합니다." 왕이 말했다.

PNNL에서 이 작업은 코팅과 같은 원래 재료, 장치를 만드는 새로운 방법, 배터리 수명을 증가시키는 새로운 전해질을 포함하여 실리콘 양극을 탐구하는 광범위한 연구 프로그램의 일부입니다.

Wang 외에도 이 논문의 다른 PNNL 저자로는 Yang He, Yaobin Xu, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li(교신저자) 및 Ji-Guang(Jason) Zhang이 있습니다.

스토리 출처:

재료에 의해 제공DOE/태평양 노스웨스트 국립 연구소. Tom Rickey가 쓴 원본.참고: 콘텐츠는 스타일과 길이에 따라 편집될 수 있습니다.