Скачок в использовании кремния для батареи анода

Тот же материал, который вы найдете на кончик карандаша — графит — уже давно является ключевым компонентом в современных литий-ионных аккумуляторов. Опора на эти увеличивает батареи, однако, графитовых электродов за обновление. Для этого ученые ищут элемент в центре цифровой революции: кремний.

Ученые факультета Северо-Западной Национальной лаборатории энергетики океана США придумали новый способ использовать этот перспективный, но проблемный энергетический ингредиент хранения. Кремний, используемый в компьютерных микросхем и многих других изделий, является привлекательным, поскольку он может вместить в 10 раз электрический заряд на грамм по сравнению с графитом. Беда в том, что кремний значительно расширяется, когда он сталкивается лития, и она слишком слаба, чтобы выдержать давление электродного производства.

Для решения этих проблем, команда во главе с исследователями из PNNL Цзи-Гуан (Джейсон) и Чжан Сяолинь ли разработаны уникальные наноструктуры, что пределы расширения кремния, укрепить его с углеродом. Их работа, которая недавно была опубликована в журнале Nature, может сообщить новый материал конструкции электрода для других типов батарей и в конечном итоге повысить энергоемкость литий-ионных аккумуляторов в электромобилях, электронных устройств и другого оборудования.

Принимая минусы из кремния

А ща и стабильная форма, графит углерода хорошо подходит для упаковки ионов лития в батарее анод, как это заряжает. Кремний может взять на себя больше лития, чем графит, но это, как правило, на воздушном шаре около 300 процентов в объеме, вызывая анода для того чтобы сломать врозь. Ученые создали пористый форма кремния путем агрегирования мелких частиц кремния в микросферы около 8 мкм в диаметре, примерно размер одной клетки крови.

«Твердый материал, как камень, например, будет перерыв, если он растягивается слишком много по объему», — сказал Чжан. «То, что мы создали, больше похожая на губку, где есть пространство внутри для поглощения расширения».

Электрод с пористой Кремниевой структуры демонстрирует изменение толщины менее 20 процентов, а в два раза любезный заряд типичный графитовый анод, исследование показало. Однако, в отличие от предыдущих версий пористый кремний, микросферы также проявляет чрезвычайную механическую прочность, благодаря углеродным нанотрубкам, которые делают сферах напоминающие клубки ниток.

Супер-сильная микросфер

Исследователи создали структуру в несколько этапов, начиная с покрытия углеродных нанотрубок оксидом кремния. Далее, нанотрубки были введены в эмульсию из масла и воды. Затем их нагревают до кипения.

«С покрытием из углеродных нанотрубок конденсироваться в областях, когда вода испаряется», — сказал Ли. «Затем мы использовали алюминиевый и выше тепла для преобразования оксида кремния в кремния, с последующим погружением в воде и кислоте, чтобы удалить побочные продукты». То, что выходит из процесса представляет собой порошок, состоящий из крошечных кремниевых частиц на поверхности углеродных нанотрубок.

Прочность пористого кремния сферы была протестирована с помощью зонда атомно-силового микроскопа. Авторы обнаружили, что один из наноразмерных нитей шарики «могут немного уступить и потерять некоторую пористость под очень высокая сжимающая сила, но она не порвется.»

Это служит хорошим предзнаменованием для коммерциализации, так как анодные материалы должны быть способны выдерживать высокие обжатия в валках в процессе производства. Следующий шаг, сказал Чжан, является разработка более масштабируемых и экономичных методов изготовления кремниевых микросфер, так что они могут в один прекрасный день в нового поколения высокопроизводительных литий-ионных батарей.

сделать разницу: спонсорские возможности