Кремниевая революция: физики впервые смогли увидеть то, почему кремниевые элементы в батареях разрушаются так быстро

 Обладая потенциалом удерживать во много раз больше энергии, чем графит, кремний является заманчивым предложением для ученых, работающих над литиевыми батареями следующего поколения. Проблема в том, что кремний не так хорошо выдерживает нагрузки, связанные с циклическим переключением батарей, но с помощью первых в своем роде наблюдений исследователи получили новое понимание причин, почему это происходит, и обнаружили подсказки относительно того, как можно этого избежать.

Chongmin Wang/Pacific Northwest National Laboratory

Ученые, работающие над интеграцией кремния в литий-ионные батареи, надеются дополнить или полностью заменить им графит, используемый в настоящее время в качестве анодного компонента. Основная причина — кремний может хранить в 10 раз больше энергии. Проблема, однако, в том, что при зарядке и разряде аккумулятора кремний разбухает, что приводит к растрескиванию анода, что в конечном итоге сводит на нет все шансы аккумулятора удерживать заряд.

На протяжении многих лет мы видели несколько интересных подходов к решению этой дилеммы, в том числе использование кремния со специальными наноструктурами, комбинирование его с твердотельными электролитами, формирование кремниевых «сэндвичей» или заключение материала в графен. Но новое понимание причин, по которым кремниевые аноды быстро выходят из строя, может значительно помочь усилиям по укреплению их стабильности. Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории получили возможность наблюдать за этим процессом в беспрецедентных подробностях.

По мере того, как батарея циклически переключается в разные режимы, ионы лития перемещаются между анодом и другим электродом, катодом, через жидкий электролит. Когда эти ионы входят в кремниевый анод, они отталкивают атомы кремния в сторону, что приводит к разбуханию анода в три или четыре раза по сравнению с его изначальным размером. Затем, когда ионы лития отступают, они оставляют за собой полости, из-за которых батарея быстро выходит из строя.

Исследователи использовали модифицированный просвечивающий электронный микроскоп для регистрации молекулярной активности внутри литиевой батареи с кремниевым анодом во время ее зарядки и разрядки. Он показал, что по мере того, как уходящие ионы лития создавали все больше полостей, те в свою очередь превращались во все большие и большие зазоры, которые затем промывались жидким электролитом.

Это привело к искажению ключевой структуры на краю анода, называемой межфазной фазой твердого электролита. Она просачивалась в анод и образовывалась там, где этого не должно было быть. Конечным результатом было создание «мертвых зон», из-за которых анод попросту не мог работать. Ученые увидели, что этот процесс начался всего после одного цикла батареи, и к 36 циклам способность батареи удерживать заряд значительно снизилась. После 100 циклов анод разрушился.

«С учетом настоящего наблюдения становится ясно, что для решения проблемы кремния необходимо сформировать твердую оболочку, чтобы изолировать материал от жидкого электролита», — объяснил в интервью порталу New Atlas соавтор новой статьи Чонгмин Ван. «Есть два способа сделать это. Один из них – это "импровизированное" формирование твердой оболочки на кремнии при начальном функционировании батареи, что требует корректировки состава жидкого электролита. В качестве альтернативы, на кремний можно нанести слой интеллектуального покрытия, что также привело бы к изоляции кремния от контакта с жидким электролитом».

Открывая эти многообещающие новые пути, ученые теперь проводят «интенсивные» исследования и разработки для решения проблемы кремния.

«Трудно предсказать, сколько времени это займет, так как нам нужно определить слой" покрытия "на кремнии, который отвечает как ионной, так и электронной проводимости, а также обладает механической упругостью», — говорит Ван.