Il silicio è un elemento fondamentale della rivoluzione digitale, che smista un sacco di segnali su un dispositivo che probabilmente è a pochi centimetri dai vostri occhi in questo momento.
Ora, questo stesso materiale abbondante ed economico sta diventando un serio candidato per un ruolo importante nel fiorente settore delle batterie. È particolarmente interessante perché è in grado di contenere 10 volte più energia in una parte importante della batteria, l'anodo, rispetto alla grafite ampiamente utilizzata.
Ma non così in fretta.
Sebbene il silicio goda di una buona reputazione tra gli scienziati, il materiale stesso si gonfia quando fa parte di una batteria. Si gonfia a tal punto che l'anodo si sfalda e si rompe, causando la perdita della capacità della batteria di mantenere la carica e, infine, il suo fallimento.
Il team di ricerca ha utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione per registrare l'azione molecolare all'interno di una batteria agli ioni di litio mentre si carica e si scarica. Qui, uno scienziato del PNNL regola un campione. (Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)
Ora gli scienziati hanno assistito per la prima volta a questo processo, un passo importante per rendere il silicio una scelta praticabile che potrebbe migliorare il costo, le prestazioni e la velocità di ricarica delle batterie per i veicoli elettrici, i telefoni cellulari, i computer portatili, gli smartwatch e altri gadget.
"Molte persone hanno immaginato ciò che potrebbe accadere, ma nessuno l'aveva mai dimostrato prima", ha dichiarato Chongmin Wang, scienziato del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell'Energia. Wang è l'autore corrispondente dell'articolo recentemente pubblicato su Nature Nanotechnology.
Di anodi di silicio, di tazze di burro d'arachidi e di passeggeri delle compagnie aeree
Gli ioni di litio sono la valuta energetica di una batteria agli ioni di litio e viaggiano avanti e indietro tra due elettrodi attraverso un liquido chiamato elettrolita. Quando gli ioni di litio entrano in un anodo fatto di silicio, si fanno strada a forza nella struttura ordinata, spingendo gli atomi di silicio all'indietro, come un robusto passeggero di una compagnia aerea che si stringe nel posto centrale di un volo affollato. Questa "compressione del litio" fa sì che l'anodo si gonfi fino a tre o quattro volte la sua dimensione originale.
Quando gli ioni di litio se ne vanno, le cose non tornano alla normalità. Rimangono degli spazi vuoti, detti "vacancies". Gli atomi di silicio spostati riempiono molti, ma non tutti, gli spazi vuoti, come i passeggeri che si riprendono rapidamente lo spazio vuoto quando il passeggero centrale va alla toilette. Ma gli ioni di litio ritornano, spingendosi di nuovo all'interno. Il processo si ripete quando gli ioni di litio fanno avanti e indietro tra l'anodo e il catodo e gli spazi vuoti nell'anodo di silicio si fondono per formare vuoti o interstizi. Questi vuoti si traducono in un guasto della batteria.
Gli scienziati sono a conoscenza del processo da anni, ma prima non avevano mai visto con precisione come questo si traduca in un guasto della batteria. Alcuni hanno attribuito il fallimento alla perdita di silicio e litio. Altri hanno attribuito la colpa all'ispessimento di un componente chiave noto come interfase solido-elettrolita o SEI. La SEI è una struttura delicata sul bordo dell'anodo che costituisce un importante passaggio tra l'anodo e l'elettrolita liquido.
Nei suoi esperimenti, il team ha osservato come le lacune lasciate dagli ioni di litio nell'anodo di silicio si evolvessero in vuoti sempre più grandi. Poi hanno osservato come l'elettrolita liquido fluisse nelle lacune come piccoli rivoli lungo una costa, infiltrandosi nel silicio. Questo afflusso ha permesso alla SEI di svilupparsi in aree del silicio dove non dovrebbe essere, un invasore molecolare in una parte della batteria a cui non appartiene.
Ciò ha creato zone morte, distruggendo la capacità del silicio di immagazzinare il litio e rovinando l'anodo.
Pensate a una tazza di burro di arachidi in forma perfetta: Il cioccolato esterno è ben distinto dal morbido burro di arachidi interno. Ma se la si tiene in mano troppo a lungo con una presa troppo stretta, il guscio esterno si ammorbidisce e si mescola con il morbido cioccolato interno. Ci si ritrova con un'unica massa disordinata la cui struttura viene modificata in modo irreversibile. Non si ha più una vera tazza di burro di arachidi. Allo stesso modo, dopo che l'elettrolita e la SEI si sono infiltrati nel silicio, gli scienziati non hanno più un anodo funzionante.
Il team ha potuto constatare che questo processo è iniziato immediatamente dopo un solo ciclo della batteria. Dopo 36 cicli, la capacità della batteria di mantenere la carica era drasticamente diminuita. Dopo 100 cicli, l'anodo era rovinato.
Esplorare le promesse degli anodi di silicio
Gli scienziati stanno lavorando per proteggere il silicio dall'elettrolita. Diversi gruppi, tra cui gli scienziati del PNNL, stanno sviluppando rivestimenti progettati per agire come gatekeeper, consentendo agli ioni di litio di entrare e uscire dall'anodo e bloccando altri componenti dell'elettrolita.
Gli scienziati di diverse istituzioni hanno unito le loro competenze per realizzare il lavoro. Gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno creato i nanofili di silicio utilizzati nello studio. Gli scienziati del PNNL hanno collaborato con le controparti di Thermo Fisher Scientific per modificare un microscopio elettronico a trasmissione criogenico per ridurre i danni degli elettroni utilizzati per le immagini. Gli scienziati della Penn State University hanno sviluppato un algoritmo per simulare l'azione molecolare tra il liquido e il silicio.
Complessivamente, il team ha utilizzato gli elettroni per realizzare immagini ad altissima risoluzione del processo e poi ha ricostruito le immagini in 3D, in modo simile a come i medici creano un'immagine 3D dell'arto o dell'organo di un paziente.
"Questo lavoro offre una chiara tabella di marcia per lo sviluppo del silicio come anodo per una batteria ad alta capacità", ha dichiarato Wang.
Al PNNL, il lavoro fa parte di un ampio programma di ricerca che esplora gli anodi di silicio, compresi materiali originali come i rivestimenti, nuovi modi di produrre i dispositivi e un nuovo elettrolita che aumenta la durata della batteria.
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Questo articolo è stato pubblicato originariamente dal DOE/Pacific Northwest National Laboratory.
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HPQ Silicon è un emittente industriale Tier 1 della TSX Venture Exchange con sede in Quebec. Con il supporto dei partner tecnologici di livello mondiale PyroGenesis Canada e NOVACIUM SAS, l'azienda sta sviluppando nuovi processi ecologici fondamentali per la produzione dei materiali critici necessari per raggiungere le emissioni nette zero.
