Um estudo que examina um novo tipo de eletrodo nanocompósito de silício-carbono revela detalhes de como eles funcionam e como o uso repetido pode desgastá-los. O estudo também fornece pistas de por que esse material tem um desempenho melhor do que o silício sozinho. Com uma capacidade elétrica cinco vezes maior do que os eletrodos de bateria de lítio convencionais, eletrodos de nanocompósitos de silício-carbono podem levar a uma maior durabilidade, baterias recarregáveis ​​mais baratas para veículos elétricos.

Publicado online no jornal Nano Letras Semana Anterior, o estudo inclui vídeos dos eletrodos sendo carregados em resolução em escala nanométrica. Observá-los em uso pode ajudar os pesquisadores a compreender os pontos fortes e fracos do material.

"Os eletrodos se expandem conforme são carregados, e isso encurta a vida útil da bateria, "disse o pesquisador-chefe Chongmin Wang do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia." Queremos aprender como melhorar sua vida útil, porque os eletrodos de nanofibra de silício-carbono têm grande potencial para baterias recarregáveis. "

Mais menos

O silício tem vantagens e desvantagens para uso como material de bateria. Possui alta capacidade de armazenamento de energia, para que possa assumir uma carga pesada. Problema do silício, no entanto, é que ele incha quando carregado, expandindo até 3 vezes seu tamanho descarregado. Se os eletrodos de silício forem embalados firmemente em uma bateria, esta expansão pode causar o estouro das baterias. Alguns pesquisadores estão explorando eletrodos nanométricos que funcionam melhor em confins tão apertados.

Um grupo de várias instituições liderado por Wang da PNNL decidiu testar eletrodos de tamanho nano consistindo de nanofibras de carbono revestidas com silício. A alta condutividade do carbono, que permite o fluxo de eletricidade, complementa perfeitamente a alta capacidade do silício, que o armazena.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do DOE em Oak Ridge, Tenn., Applied Sciences Inc. em Cedarville, Ohio, e o Centro Global de P&D da General Motors em Warren, Mich. Criou nanofibras de carbono com uma fina camada de silício ao redor. Eles forneceram os eletrodos para a equipe do PNNL para sondar seu comportamento durante o funcionamento.

Primeiro, Wang e seus colegas testaram quanto lítio os eletrodos podiam conter e quanto tempo duraram, colocando-os em uma pequena bateria de teste chamada meia-célula. Após 100 ciclos de carga-descarga, os eletrodos ainda mantinham uma capacidade muito boa de cerca de 1000 miliamperes-hora por grama de material, cinco a 10 vezes a capacidade dos eletrodos convencionais em baterias de íon de lítio.

Embora tenham um bom desempenho, a equipe suspeitou que a expansão e contração do silício poderia ser um problema para a longevidade da bateria, já que o alongamento tende a desgastar as coisas. Para determinar o quão bem os eletrodos resistem ao alongamento repetido, Wang lançou um especialmente projetado, bateria minúscula em um microscópio eletrônico de transmissão, que pode ver objetos de nanômetros de largura, no EMSL do DOE, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais no campus PNNL.

Eles ampliaram o eletrodo da minúscula bateria usando um novo microscópio que foi financiado pela Lei de Recuperação. Este microscópio permitiu à equipe estudar o eletrodo em uso, e eles tiraram fotos e vídeos enquanto a minúscula bateria estava sendo carregada e descarregada.

Não Cristal

Trabalhos anteriores mostraram que a carga faz com que os íons de lítio fluam para o silício. Neste estudo, os íons de lítio fluíram para a camada de silício ao longo do comprimento da nanofibra de carbono a uma taxa de cerca de 130 nanômetros por segundo. Isso é cerca de 60 vezes mais rápido do que o silício sozinho, sugerindo que o carbono subjacente melhora a velocidade de carregamento do silício.

Como esperado, a camada de silício inchou cerca de 300 por cento quando o lítio entrou. Contudo, a combinação do suporte de carbono e a qualidade não estruturada do silício permitiu que ele aumentasse de tamanho por igual. Isso se compara favoravelmente ao silício sozinho, que incha de forma desigual, causando imperfeições.

Além do inchaço, O lítio é conhecido por causar outras alterações no silício. A combinação de lítio e silício inicialmente forma uma estrutura não estruturada, camada vítrea. Então, quando a proporção de lítio para silício atinge 15 a 4, a camada vítrea cristaliza rapidamente, como trabalhos anteriores de outros pesquisadores mostraram.

Wang e seus colegas examinaram o processo de cristalização no microscópio para entendê-lo melhor. No vídeo do microscópio, eles puderam ver o avanço da cristalização à medida que o lítio preenchia o silício e atingia a proporção de 15 para 4.

Eles descobriram que essa cristalização é diferente da forma clássica com que muitas substâncias se cristalizam, que constrói a partir de um ponto de partida. Em vez, a camada de lítio e silício se transformou em um cristal ao mesmo tempo quando a proporção atingiu precisamente 15 para 4. As análises computacionais desta cristalização verificaram sua natureza rápida, um tipo de cristalização conhecido como transição de fase congruente.

Mas a cristalização não era permanente. Ao descarregar, a equipe descobriu que a camada de cristal ficou vítrea novamente, à medida que a concentração de lítio diminuía em seu caminho para fora do silício.

Para determinar se o uso repetido deixou sua marca no eletrodo, a equipe carregou e descarregou a minúscula bateria 4 vezes. Comparando a mesma região do eletrodo entre o primeiro e o quarto carregamento, a equipe viu a superfície ficar áspera, semelhante a uma estrada com buracos.

As mudanças na superfície foram provavelmente devido aos íons de lítio, deixando um pouco de dano em seu rastro após a descarga, disse Wang. "Podemos ver a superfície do eletrodo passar de lisa a áspera à medida que o carregamos e descarregamos. Pensamos enquanto ele faz um ciclo, pequenos defeitos ocorrem, e os defeitos se acumulam. "

Mas o fato de a camada de silício ser muito fina a torna mais durável do que o silício mais espesso. Em silicone espesso, os buracos que os íons de lítio deixam para trás podem se juntar para formar grandes cavidades. "No design atual, porque o silício é tão fino, você não tem cáries maiores, assim como pequenas bolhas de gás em águas rasas vêm à superfície. Se a água for profunda, as bolhas se juntam e formam bolhas maiores. "

Em trabalho futuro, os pesquisadores esperam explorar a espessura da camada de silício e como ela se liga ao carbono subjacente para otimizar o desempenho e a vida útil dos eletrodos.