Un nuevo método para obtener imágenes de la degradación del ánodo de silicio puede conducir a mejores baterías

Las imágenes de Cryo-STEM muestran la evolución estructural y química del silicio y la capa intermedia de electrolitos sólidos (SEI). Después del ciclo 36 al 100, los nanocables de silicio se expanden y se vuelven irregulares, mezclándose con SEI para formar una estructura compuesta suave. Crédito: Jennifer M. McCann

Una nueva forma de describir la evolución estructural y química del silicio y una película delgada que controla 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 Ánodo, a polo negativoy el electrolito, que permite que la carga se mueva entre el ánodo y el otro electrodo, el cátodo. Una capa de interfase sólida (SEI) generalmente se forma en la superficie del electrodo entre el electrodo sólido y el electrolito líquido y es vital para la reacción electroquímica en las baterías, junto con el control de la estabilidad de la batería. El uso de silicio como electrodo positivo permitiría una mejor batería recargable.

“En los últimos 10 años, el silicio ha atraído mucho interés como electrodo negativo de alta capacidad para baterías recargables”, dijo Sulin Chang, profesor de ciencias de la ingeniería, mecánica y bioingeniería. Las baterías comerciales actuales utilizan grafito como solución Material del ánodoPero la capacidad del silicio es aproximadamente 10 veces mayor que la del grafito. Hay decenas de millones, incluso cientos de millones, 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, existe un desafío. Durante el proceso de carga y descarga de la batería, el volumen del silicio se expande y contrae, provocando que el material de silicio se agriete, y el SEI colapsará y regenerará una y otra vez. Esto conduce a una pérdida de contacto eléctrico y un deterioro en la capacidad y cantidad de carga almacenada por la batería.

Comprender cómo evoluciona 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 esta crezca incontrolablemente porque crear esta capa consumiría el material electrolítico y el litio activo”, dijo Zhang. “Esto podría provocar que el electrolito se seque y la pérdida de sustancias activas, por lo que tiene un impacto negativo en el rendimiento de la batería”.

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

“La capa SEI es muy importante para la batería”, dijo Zhang. “Pero es muy delgado, invisible para cualquier microscopio óptico y se desarrolla dinámicamente durante el ciclo de la batería. Se puede acceder a él microscopio electrónico de transmisión que se utilizan en materiales muy nano y muy delgados. Pero para SEI, esta capa es muy suave y puede destruirse fácilmente con haces de electrones porque hay que enviar muchos electrones para obtener una imagen de alta resolución de los componentes del material. ”

Las imágenes de Cryo-STEM muestran la evolución estructural y química del silicio y la capa intermedia de electrolitos sólidos (SEI). Después del ciclo 36 al 100, los nanocables de silicio se expanden y se vuelven irregulares, mezclándose con SEI para formar una estructura compuesta suave. Crédito: Universidad Estatal de Pensilvania

Para evitar esto, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de barrido criogénico (cryo-STEM). Mantuvieron los materiales de los electrodos que se rotaron a temperaturas extremadamente frías durante la preparación y la obtención de imágenes con un microscopio Cryo-STEM para minimizar el daño de la muestra por el haz de electrones. Además, combinaron la tomografía de elementos sensibles para la obtención de imágenes en 3D y un algoritmo avanzado diseñado para capturar imágenes con una menor dosis de electrones. Esta tecnología permitió una representación 3D de la interacción de SEI con el silicio, capturada después de diferentes números de ciclos de batería.

“El aspecto único de nuestro método es la crioimagen y los procesos físicos de modelos múltiples”, dijo Zhang. “Podemos visualizar la evolución del silicio y el SEI después del funcionamiento cíclico de la batería; en paralelo, podemos recapitular todo el proceso de evolución microscópica durante el ciclo utilizando simulaciones computacionales. Ésta 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 el ánodo de silicio.

“Entonces, al comprender el mecanismo de crecimiento de la capa SEI, nos dará muchas ideas 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 potente para la próxima generación de baterías de litio”.

Explicó que esta próxima generación de baterías de litio tendrá múltiples beneficios tanto para la industria como para el consumidor medio.

“El silicio está disponible en abundancia, y si podemos usar el silicio como electrodo positivo con un ciclo de vida largo, aumentaremos enormemente la capacidad de la batería recargable”, dijo Zhang. “Y dada la abundancia de silicio, esto hará que baje el precio de las baterías”.

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

“Una vez entendido el mecanismo subyacente, el siguiente paso es producir algunas hipótesis científicas”, dijo Zhang. “Y luego probaremos esa hipótesis usando ánodos de silicio para que podamos mitigar el efecto dañino asociado con el tamaño del silicio. Al controlar lo que actualmente es incontrolable, podemos diseñar un electrodo de silicio con mejor rendimiento”.

Además de Zhang, los investigadores de Penn State involucrados en el estudio incluyen a Tianwu Chen y Dingchuan Xue, estudiantes graduados en ciencias de la ingeniería y mecánica. Otros investigadores, del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, incluyen a Yang He, Yaobin Shu, Zhongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li y Ji Guangzhang. de Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, ​​Cedric Bouchet-Marquis, Lee Pullan y Ted Tessner; Y del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Jinkyung Yu.

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


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más información:
Él, Wai et al. El crecimiento gradual de la interfase del acero y el electrolito hacia la parte interna del electrodo de silicio hace que la capacitancia se desvanezca. nat. Nano. (2021). doi.org/10.1038/s41565-021-00947-8

Introducción de
Universidad Penn State

La frase: Un nuevo método para obtener imágenes de la degradación del ánodo de silicio puede conducir a mejores baterías (2021, 29 de julio). Recuperado el 29 de julio de 2021 de https://phys.org/news/2021-07-method-imaging-silicon-anode-degradation. html

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