Silizium ist ein Grundpfeiler der digitalen Revolution, der eine Vielzahl von Signalen auf ein Gerät überträgt, das sich wahrscheinlich gerade in diesem Moment nur wenige Zentimeter von Ihren Augen entfernt befindet.
Jetzt wird das gleiche reichlich vorhandene, billige Material zu einem ernsthaften Kandidaten für eine große Rolle im aufstrebenden Batteriegeschäft. Es ist besonders attraktiv, weil es in der Lage ist, in einem wichtigen Teil einer Batterie, der Anode, 10-mal so viel Energie zu speichern wie der weithin verwendete Graphit.
Aber nicht so schnell.
Silizium hat zwar unter Wissenschaftlern einen guten Ruf, aber das Material selbst quillt auf, wenn es Teil einer Batterie ist. Es quillt so stark auf, dass die Anode abblättert und Risse bekommt, wodurch die Batterie ihre Fähigkeit, eine Ladung zu halten, verliert und schließlich ausfällt.
Das Forschungsteam verwendete ein Transmissionselektronenmikroskop, um die molekularen Vorgänge im Inneren einer Lithium-Ionen-Batterie beim Laden und Entladen aufzuzeichnen. Hier justiert ein PNNL-Wissenschaftler eine Probe. (Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)
Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, Silizium zu einer brauchbaren Alternative zu machen, die Kosten, Leistung und Ladegeschwindigkeit von Batterien für Elektrofahrzeuge, Handys, Laptops, Smartwatches und andere Geräte verbessern könnte.
"Viele Menschen haben sich vorgestellt, was passieren könnte, aber niemand hat es zuvor tatsächlich demonstriert", sagte Chongmin Wang, Wissenschaftler am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des Energieministeriums. Wang ist ein korrespondierender Autor der kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlichten Arbeit.
Von Siliziumanoden, Erdnussbutterbechern und verpackten Flugpassagieren
Lithium-Ionen sind die Energiewährung in einer Lithium-Ionen-Batterie. Sie wandern zwischen zwei Elektroden durch eine Flüssigkeit, den sogenannten Elektrolyten, hin und her. Wenn Lithiumionen in eine Anode aus Silizium eindringen, dringen sie in die geordnete Struktur ein und schieben die Siliziumatome schief, wie ein kräftiger Fluggast, der sich in einem überfüllten Flugzeug auf den mittleren Sitzplatz quetscht. Dieser "Lithium-Quetsch" lässt die Anode auf das Drei- oder Vierfache ihrer ursprünglichen Größe anschwellen.
Wenn die Lithium-Ionen abwandern, kehren die Dinge nicht zur Normalität zurück. Es bleiben leere Räume, sogenannte Vakanzen, zurück. Die verdrängten Siliziumatome füllen viele, aber nicht alle, der freien Plätze aus, so wie Passagiere den leeren Platz schnell wieder einnehmen, wenn der mittlere Passagier die Toilette aufsucht. Aber die Lithium-Ionen kehren zurück und drängen wieder hinein. Der Prozess wiederholt sich, während die Lithiumionen zwischen Anode und Kathode hin- und herwandern und die leeren Räume in der Siliziumanode zu Hohlräumen oder Lücken verschmelzen. Diese Lücken führen zum Ausfall der Batterie.
Wissenschaftler wissen seit Jahren über diesen Prozess Bescheid, aber sie hatten bisher nicht genau gesehen, wie er zum Versagen der Batterien führt. Einige haben das Versagen auf den Verlust von Silizium und Lithium zurückgeführt. Andere machen die Verdickung einer Schlüsselkomponente verantwortlich, die als Festkörper-Elektrolyt-Interphase oder SEI bekannt ist. Die SEI ist eine empfindliche Struktur am Rand der Anode, die eine wichtige Schnittstelle zwischen der Anode und dem flüssigen Elektrolyten darstellt.
In seinen Experimenten beobachtete das Team, wie sich die von den Lithiumionen in der Siliziumanode hinterlassenen Leerstellen zu immer größeren Lücken entwickelten. Dann beobachteten sie, wie der flüssige Elektrolyt wie winzige Rinnsale entlang einer Uferlinie in die Lücken floss und das Silizium infiltrierte. Dieser Zufluss ermöglichte es der SEI, sich in Bereichen des Siliziums zu entwickeln, in denen sie nicht sein sollte, ein molekularer Eindringling in einem Teil der Batterie, wo sie nicht hingehört.
Dadurch entstanden tote Zonen, die die Fähigkeit des Siliziums, Lithium zu speichern, zerstörten und die Anode ruinierten.
Stellen Sie sich einen Erdnussbutterbecher in makelloser Form vor: Die Schokoladenaußenseite ist deutlich von der weichen Erdnussbutter im Inneren zu unterscheiden. Wenn Sie ihn jedoch zu lange und zu fest in der Hand halten, wird die äußere Schale weich und vermischt sich mit der weichen Schokolade im Inneren. Zurück bleibt eine einzige ungeordnete Masse, deren Struktur irreversibel verändert ist. Es handelt sich nicht mehr um einen echten Erdnussbutterbecher. Nachdem der Elektrolyt und das SEI in das Silizium eingedrungen sind, haben die Wissenschaftler auch keine funktionierende Anode mehr.
Das Team konnte beobachten, dass dieser Prozess unmittelbar nach nur einem Batteriezyklus einsetzte. Nach 36 Zyklen hatte die Fähigkeit der Batterie, eine Ladung zu halten, drastisch abgenommen. Nach 100 Zyklen war die Anode ruiniert.
Das Versprechen von Siliziumanoden erforschen
Die Wissenschaftler arbeiten an Möglichkeiten, das Silizium vor dem Elektrolyten zu schützen. Mehrere Gruppen, darunter auch Wissenschaftler des PNNL, entwickeln Beschichtungen, die als Torwächter fungieren sollen, so dass Lithiumionen in die Anode ein- und aus ihr austreten können, während andere Komponenten des Elektrolyten aufgehalten werden.
Wissenschaftler aus mehreren Einrichtungen haben ihr Fachwissen für diese Arbeit gebündelt. Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory stellten die in der Studie verwendeten Silizium-Nanodrähte her. Wissenschaftler des PNNL arbeiteten mit Kollegen von Thermo Fisher Scientific zusammen, um ein kryogenes Transmissionselektronenmikroskop so zu modifizieren, dass die Schäden durch die für die Bildgebung verwendeten Elektronen reduziert werden. Und Wissenschaftler der Penn State University entwickelten einen Algorithmus, um die molekulare Wirkung zwischen der Flüssigkeit und dem Silizium zu simulieren.
Insgesamt nutzte das Team Elektronen, um ultrahochauflösende Bilder des Prozesses zu machen, und rekonstruierte dann die Bilder in 3D, ähnlich wie Ärzte ein 3D-Bild eines Gliedes oder Organs eines Patienten erstellen.
"Diese Arbeit bietet einen klaren Fahrplan für die Entwicklung von Silizium als Anode für eine Hochkapazitätsbatterie", so Wang.
Beim PNNL ist die Arbeit Teil eines breit angelegten Forschungsprogramms zur Erforschung von Siliziumanoden, einschließlich neuer Materialien wie Beschichtungen, neuer Methoden zur Herstellung der Geräte und eines neuen Elektrolyten, der die Lebensdauer der Batterien verlängert.
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Dieser Artikel wurde ursprünglich vom DOE/Pacific Northwest National Laboratory veröffentlicht.
Der Titel und der Inhalt wurden möglicherweise aus stilistischen und inhaltlichen Gründen überarbeitet.
HPQ Silicon ist ein in Quebec ansässiger Tier-1-Industrieemittent der TSX Venture Exchange. Mit der Unterstützung der erstklassigen Technologiepartner PyroGenesis Canada und NOVACIUM SAS entwickelt das Unternehmen neue umweltfreundliche Verfahren, die für die Herstellung der entscheidenden Materialien, die zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen erforderlich sind, entscheidend sind.
