Si prevede che un nuovo metodo per l'imaging della degradazione dell'anodo di silicio consentirà di ottenere batterie ricaricabili migliori

I ricercatori suggeriscono che un nuovo metodo per caratterizzare la struttura e l'evoluzione chimica del silicio, nonché uno strato sottile che controlla la stabilità della batteria, potrebbero aiutare ad affrontare il problema di prevenire l'uso del silicio nelle batterie ad alta capacità.

Il focus della ricerca è sull'interfaccia tra anodo, elettrodo negativo ed elettrolita, che consente alle cariche di spostarsi tra l'anodo e un altro elettrodo (catodo). Lo strato di interfase dell'elettrolita solido (SEI) si forma solitamente sulla superficie dell'elettrodo tra l'elettrodo solido e l'elettrolita liquido, che è fondamentale per le reazioni elettrochimiche nelle batterie e per il controllo della stabilità delle batterie. Utilizzando il silicio come anodo è possibile ottenere batterie ricaricabili migliori.

Negli ultimi 10 anni, il silicio ha attirato molta attenzione come elettrodo negativo ad alta capacità per batterie ricaricabili. Il professor Zhang Sulin di Ingegneria, Meccanica e Biotecnologia ha affermato che attualmente le batterie commerciali utilizzano la grafite come materiale dell'elettrodo negativo, ma la capacità del silicio è circa 10 volte quella della grafite. Pertanto, ci sono decine di milioni, centinaia di milioni o addirittura centinaia di milioni di dollari dedicati alla ricerca sulle batterie al silicio.

Per una società che spera di elettrificare le proprie infrastrutture attraverso veicoli elettrici e potenti dispositivi elettronici portatili, questa è una buona notizia, ma ci sono anche delle sfide. Durante il processo di carica e scarica delle batterie, il volume del silicio si espanderà e si contrarrà, causando la rottura del materiale in silicio, e il SEI si romperà e si rigenererà più e più volte. Ciò comporterà la perdita del contatto elettrico e una diminuzione della capacità, ovvero la quantità di carica immagazzinata nella batteria.

Comprendere con precisione come si svolge questo processo dal punto di vista strutturale e chimico è fondamentale per risolvere i problemi.

Poiché la stabilità di questo strato controlla la stabilità della batteria, non vuoi che cresca in modo incontrollabile perché la formazione di questo strato consumerà materiali elettrolitici e litio attivo. Zhang ha affermato che ciò potrebbe causare l'essiccazione dell'elettrolito e la perdita del materiale attivo, con un impatto negativo sulle prestazioni della batteria.

Una sfida importante che Zhang e il suo team hanno presentato sulla rivista Nature Nanotechnology è la capacità di osservare, caratterizzare e comprendere questo processo.

Lo strato SEI è fondamentale per le batterie, ha detto Zhang, ma è molto sottile e non può essere visto con nessun microscopio ottico e si evolve dinamicamente durante il ciclo della batteria. Può essere osservato mediante microscopia elettronica a trasmissione su materiali molto sottili e su scala molto nanometrica. Ma per il SEI, questo strato è molto morbido e facilmente danneggiabile dai fasci di elettroni, poiché è necessario inviare una grande quantità di elettroni per ottenere immagini ad alta risoluzione della composizione del materiale.

Per superare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione con scansione a bassa temperatura (cryo STEM). Hanno mantenuto il materiale dell'elettrodo circolante a bassa temperatura durante la preparazione e l'uso dell'imaging al microscopio STEM a bassa temperatura per ridurre al minimo i danni del fascio di elettroni al campione. Inoltre, hanno integrato la tomografia degli elementi sensibili per l'imaging 3D e algoritmi avanzati volti a catturare immagini a dosi di elettroni inferiori. Questa tecnologia consente di ottenere una vista 3D dell'interazione del silicio SEI, catturata dopo diversi cicli della batteria.

L'unicità del nostro metodo risiede nell'imaging STEM a bassa temperatura e nella modellazione di processi multifisici. Zhang ha detto che possiamo visualizzare l'evoluzione del silicio e del SEI dopo il ciclo della batteria; Nel frattempo, possiamo utilizzare simulazioni computazionali per riaffermare l’intero processo di evoluzione della microstruttura durante il ciclo. Questa è la novità di questo studio.

Il lavoro di questo team ha permesso di comprendere meglio i meccanismi che portano alla crescita e all'instabilità degli strati SEI negli anodi di silicio.

Pertanto, con la comprensione del meccanismo di crescita degli strati SEI, questo ci fornirà molte informazioni su come migliorare le prestazioni degli anodi di silicio o dei progetti di batterie, ha affermato Zhang. Quindi potremo produrre anodi di silicio più robusti per la prossima generazione di batterie al litio.

Ha spiegato che la prossima generazione di batterie al litio porterà molteplici vantaggi all’industria e ai consumatori comuni.

Il silicio è molto abbondante e, se potessimo usarlo come anodo con un ciclo di vita lungo, aumenteremmo notevolmente la capacità delle batterie ricaricabili, ha detto Zhang. Inoltre, grazie alle abbondanti risorse di silicio, ciò ridurrà il prezzo delle batterie.

Con una comprensione critica dell'evoluzione dello strato SEI durante la carica e la scarica delle batterie con elettrodi negativi al silicio, Zhang ha affermato che il prossimo passo sarà utilizzare queste conoscenze per progettare una batteria con elettrodi negativi al silicio che non perderà capacità a causa del ciclismo.

"Una volta compresi i potenziali meccanismi, il passo successivo è generare alcune ipotesi scientifiche", ha affermato Zhang. Quindi, testeremo questa ipotesi utilizzando un anodo di silicio in modo da poter mitigare gli effetti negativi associati alle variazioni di volume del silicio. Controllando i fattori incontrollabili attuali, possiamo progettare elettrodi di silicio con prestazioni migliori.

Hanno partecipato a questo studio ricercatori della Pennsylvania State University, insieme a Zhang, tra cui gli studenti laureati in ingegneria e meccanica Tianwu Chen e Dingchuan Xue. Altri ricercatori includono Yang He, Xu Yaobin, Wang Chongmin, Jia Haiping, Ran Yi, Miao Song, Li Xiaolin e Zhang Jiguang del Pacific Northwest National Laboratory; Da ThermoFisher Scientific, LinJiang, ArdaGenc, ​​CedricBouchet Marquis, Lee Pullan e TedTessner; Dal Laboratorio Nazionale di Los Alamos, JinkyoungYoo. Il Ministero dell'Energia e la National Science Foundation hanno sostenuto questa ricerca.