Un método novedoso para caracterizar la evolución estructural y química del silicio y una capa delgada que gobierna la estabilidad de la batería puede ayudar a resolver problemas que impiden el uso de silicio para baterías de alta capacidad. según un grupo de investigadores.

La investigación se centra en la interfaz del ánodo, un electrodo negativo, y el electrolito, que permite que la carga se mueva entre el ánodo y el otro electrodo, el cátodo. Una capa de interfase de electrolito sólido (SEI) generalmente se forma en la superficie de un electrodo entre el electrodo sólido y el electrolito líquido y es vital para la reacción electroquímica en las baterías. además de gobernar la estabilidad de la batería. El uso de silicio como ánodo permitiría una mejor batería recargable.

"En los últimos 10 años, El silicio ha atraído mucha atención como electrodo negativo de alta capacidad para baterías recargables, "dijo Sulin Zhang, profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica y de bioingeniería. "Las baterías que se comercializan actualmente utilizan grafito como material de ánodo, pero la capacidad del silicio es aproximadamente 10 veces mayor que la del grafito. Hay decenas de millones cientos de millones incluso, de dólares invertidos en la investigación de baterías de silicio debido a esto ".

Esta es una buena noticia para una sociedad que busca electrificar su infraestructura con vehículos eléctricos y potentes dispositivos electrónicos portátiles. sin embargo, hay un desafío. Durante el proceso de carga y descarga de la batería, el volumen de silicio se expande y se contrae, que conduce al agrietamiento del material de silicio, y el SEI se derrumbará y se regenerará una y otra vez. Esto conduce a la pérdida de contacto eléctrico y la degradación de la capacidad, la cantidad de carga almacenada por la batería.

Comprender exactamente cómo se desarrolla este proceso tanto estructural como químicamente es vital para resolver el problema.

"Debido a que la estabilidad de esta capa controla la estabilidad de la batería, no desea que esto crezca incontrolablemente porque la creación de esta capa consumirá material electrolítico y litio activo, ", Dijo Zhang." Y esto puede conducir al secado de los electrolitos y la pérdida de materiales activos, por lo que tiene un efecto adverso en el rendimiento de la batería ".

El gran desafío al que se enfrentaron Zhang y su equipo, publicado en la revista Nanotecnología de la naturaleza , fue poder observar, caracterizar y comprender este proceso.

"La capa SEI es tan crítica para la batería, ", Dijo Zhang." Pero es muy delgado, invisible para cualquier microscopio óptico y evoluciona dinámicamente durante el ciclo de la batería. Podría ser accesible a un microscopio electrónico de transmisión que se utilice para muy nanoescala, materiales muy delgados. Pero para un SEI, esta capa es bastante suave y se destruye fácilmente con los haces de electrones porque debe enviar muchos electrones para obtener una imagen de alta resolución de los componentes del material ".

Para superar esto, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido criogénico (crio-STEM). Mantuvieron los materiales del electrodo en ciclo a temperaturas criogénicas durante la preparación y la obtención de imágenes con un microscopio crio-STEM para minimizar el daño de la muestra por el haz de electrones. Además, integraron tomografía elemental sensible para imágenes 3D, y un algoritmo avanzado diseñado para capturar imágenes con una dosis de electrones más baja. Esta técnica permitió una vista 3D de la interacción SEI-silicio, tomado después de varios ciclos de batería.

"El aspecto único de nuestro método son las imágenes crio-STEM y el modelado de múltiples procesos físicos, ", Dijo Zhang." Podemos visualizar la evolución del silicio y SEI después del funcionamiento cíclico de la batería; En paralelo, podemos recapitular todo el proceso de evolución microestructural durante el ciclo utilizando simulaciones computacionales. Esa es la novedad de esta investigación ".

El trabajo del equipo ha permitido comprender mejor los mecanismos que provocan el crecimiento y la inestabilidad de la capa SEI en un ánodo de silicio.

"Entonces, con la comprensión del mecanismo de crecimiento de la capa SEI, que nos dará mucha información sobre cómo mejorar el rendimiento del ánodo de silicio o el diseño de la batería, ", Dijo Zhang." Entonces podemos crear un ánodo de silicio más robusto para la próxima generación de baterías de litio ".

Esta próxima generación de baterías de litio ofrecería múltiples beneficios tanto para la industria como para el consumidor medio. él explicó.

"El silicio es muy abundante y si podemos utilizar el silicio como ánodo con un ciclo de vida largo, aumentaremos drásticamente la capacidad de una batería recargable, "Dijo Zhang." Y, porque el silicio es abundante, eso hará bajar el precio de las baterías ".

Armados con la comprensión crítica de la evolución de la capa SEI durante la carga y descarga en una batería con un ánodo de silicio, Zhang dijo que el siguiente paso será utilizar ese conocimiento para ayudar a diseñar una batería de ánodo de silicio que no pierda capacidad con el ciclo.

"Con la comprensión del mecanismo subyacente, el siguiente paso es producir alguna hipótesis científica, "Dijo Zhang." Y luego vamos a probar esta hipótesis con ánodos de silicio para que podamos mitigar el efecto perjudicial asociado con el cambio de volumen del silicio. Controlando lo actualmente incontrolable, podemos diseñar un electrodo de silicio con mejor rendimiento ".

Junto con Zhang, Los investigadores de Penn State que participaron en el estudio incluyen a Tianwu Chen y Dingchuan Xue, estudiantes graduados en ciencias de la ingeniería y mecánica. Otros investigadores incluyen, del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Canción miao Xiaolin Li y Ji-Guang Zhang; de Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cedric Bouchet-Marqués, Lee Pullan y Ted Tessner; y del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Jinkyoung Yoo.

El Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias financiaron esta investigación.