Um novo método de caracterizar a evolução estrutural e química do silício e uma camada fina que rege a estabilidade da bateria pode ajudar a resolver problemas que impedem o uso de silício para baterias de alta capacidade, de acordo com um grupo de pesquisadores.

A pesquisa se concentra na interface do ânodo, um eletrodo negativo, e o eletrólito, que permite que a carga se mova entre o ânodo e o outro eletrodo, o cátodo. Uma camada de interfase de eletrólito sólido (SEI) geralmente se forma na superfície de um eletrodo entre o eletrodo sólido e o eletrólito líquido e é vital para a reação eletroquímica em baterias, junto com o controle da estabilidade da bateria. Usar silício como ânodo possibilitaria uma bateria recarregável melhor.

"Nos últimos 10 anos, o silício tem atraído muita atenção como eletrodo negativo de alta capacidade para baterias recarregáveis, "disse Sulin Zhang, professor de ciências da engenharia e mecânica e de bioengenharia. "As baterias atualmente comercializadas usam grafite como material de ânodo, mas a capacidade do silício é cerca de 10 vezes a do grafite. Existem dezenas de milhões, centenas de milhões até, de dólares investidos na pesquisa de baterias de silício por causa disso. "

Esta é uma boa notícia para uma sociedade que busca eletrificar sua infraestrutura com veículos elétricos e eletrônicos portáteis potentes, Contudo, existe um desafio. Durante o processo de carga e descarga da bateria, o volume de silício se expande e encolhe, o que leva ao craqueamento do material de silício, e o SEI se desintegrará e se regenerará continuamente. Isso leva à perda de contato elétrico e degradação da capacidade, a quantidade de carga armazenada pela bateria.

Entender exatamente como esse processo se desdobra estrutural e quimicamente é vital para resolver o problema.

"Como a estabilidade desta camada controla a estabilidade da bateria, você não quer que isso cresça incontrolavelmente porque a criação desta camada consumirá material eletrolítico, bem como lítio ativo, "Disse Zhang." E isso pode levar ao ressecamento dos eletrólitos e à perda de materiais ativos, então você tem um efeito adverso no desempenho da bateria. "

O grande desafio que Zhang e sua equipe enfrentaram, publicado no jornal Nature Nanotechnology , estava sendo capaz de observar, caracterizar e compreender este processo.

"A camada SEI é tão crítica para a bateria, "Zhang disse." Mas é muito fino, invisível por quaisquer microscópios ópticos e está evoluindo dinamicamente durante o ciclo da bateria. Pode ser acessível a um microscópio eletrônico de transmissão, que pode ser usado em nanoescala, materiais muito finos. Mas para um SEI, esta camada é bastante macia e facilmente destruída nos feixes de elétrons porque você deve enviar muitos elétrons para obter uma imagem de alta resolução dos componentes materiais. "

Para superar isso, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura criogênica (cryo-STEM). Eles mantiveram os materiais do eletrodo ciclado em temperaturas criogênicas durante a preparação e geração de imagens com um microscópio crio-STEM para minimizar os danos da amostra do feixe de elétrons. Além disso, eles integraram tomografia elementar sensível para imagens 3D, e um algoritmo avançado projetado para capturar imagens em uma dose menor de elétrons. Esta técnica permitiu uma visão 3D da interação SEI-silício, tomadas após vários ciclos de bateria.

"O aspecto único do nosso método é a imagem crio-STEM e a modelagem de múltiplos processos físicos, "Disse Zhang." Podemos visualizar a evolução do silício e do SEI após o funcionamento cíclico da bateria; em paralelo, podemos recapitular todo o processo de evolução microestrutural durante o ciclo usando simulações computacionais. Essa é a novidade dessa pesquisa. "

O trabalho da equipe permitiu uma melhor compreensão dos mecanismos que causam o crescimento e a instabilidade da camada SEI em um ânodo de silício.

"Então, com a compreensão do mecanismo de crescimento da camada SEI, isso nos dará muitas dicas sobre como melhorar o desempenho do ânodo de silício ou o design da bateria, "Zhang disse." Então, podemos criar um ânodo de silício mais robusto para a próxima geração de baterias de lítio. "

Esta próxima geração de baterias de lítio teria vários benefícios para a indústria e para o consumidor médio, ele explicou.

"O silício é muito abundante e se pudermos usar o silício como ânodo com um ciclo de vida longo, vamos aumentar drasticamente a capacidade de uma bateria recarregável, "Zhang disse." E, porque o silício é abundante, isso vai reduzir o preço das baterias. "

Armado com a compreensão crítica da evolução da camada SEI durante o carregamento e descarregamento em uma bateria com um ânodo de silício, Zhang disse que o próximo passo será usar esse conhecimento para ajudar a projetar uma bateria de ânodo de silício que não perde capacidade com o ciclismo.

"Com a compreensão do mecanismo subjacente, o próximo passo é produzir alguma hipótese científica, "Disse Zhang." E então vamos testar essa hipótese com ânodos de silício para que possamos mitigar o efeito prejudicial associado à mudança de volume do silício. Ao controlar o atualmente incontrolável, podemos projetar um eletrodo de silício com melhor desempenho. "

Junto com Zhang, Os pesquisadores da Penn State envolvidos no estudo incluem Tianwu Chen e Dingchuan Xue, alunos de pós-graduação em ciências da engenharia e mecânica. Outros pesquisadores incluem, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao Song, Xiaolin Li e Ji-Guang Zhang; da Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cedric Bouchet-Marquis, Lee Pullan e Ted Tessner; e do Laboratório Nacional de Los Alamos, Jinkyoung Yoo.

O Departamento de Energia e a National Science Foundation financiaram esta pesquisa.