عضلات أنودات السيليكون في تقنية البطارية
Nov 04, 2021
يعد السيليكون عنصرًا أساسيًا في الثورة الرقمية ، حيث يحول الكثير من الإشارات على جهاز من المحتمل أن يكون&على بعد بوصات من عينيك في هذه اللحظة بالذات.
الآن ، أصبحت هذه المادة الرخيصة والوفرة نفسها مرشحًا جادًا لدور كبير في أعمال البطاريات المزدهرة. إنها&جذابة بشكل خاص لأنها&قادرة على الاحتفاظ ب 10 أضعاف الطاقة في جزء مهم من البطارية ، الأنود ، من الجرافيت المستخدم على نطاق واسع.
لكن ليس بهذه السرعة. بينما يتمتع السيليكون بسمعة منتفخة بين العلماء ، تتضخم المادة نفسها عندما تكون&جزءًا من البطارية. إنه يتضخم لدرجة أن الأنود يتقشر ويتشقق ، مما يؤدي إلى فقدان البطارية قدرتها على تحمل الشحن وفي النهاية فشل.
الآن شهد العلماء هذه العملية لأول مرة ، وهي خطوة مهمة نحو جعل السيليكون خيارًا قابلاً للتطبيق يمكن أن يحسن التكلفة والأداء وسرعة شحن بطاريات السيارات الكهربائية وكذلك الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والساعات الذكية وغيرها من الأدوات.
& مثل ؛ تخيل الكثير من الناس ما يمكن أن يحدث ولكن لم يظهره أحد من قبل ،&مثل ؛ قال تشونغمين وانغ ، عالم في وزارة الطاقة&# 39 ؛ مختبر وطني شمال غرب المحيط الهادئ. وانغ هو مؤلف مماثل للورقة البحثية التي نُشرت مؤخرًا فيتقنية النانو الطبيعة.
من أنودات السيليكون وأكواب زبدة الفول السوداني وركاب خطوط الطيران معبأة
أيونات الليثيوم هي عملة الطاقة في بطارية أيونات الليثيوم ، وتنتقل ذهابًا وإيابًا بين قطبين من خلال سائل يسمى الإلكتروليت. عندما تدخل أيونات الليثيوم أنودًا مصنوعًا من السيليكون ، فإنها تشق طريقها إلى الهيكل المنظم ، مما يدفع ذرات السيليكون منحرفًا ، مثل ركاب شركة طيران قوي البنية يضغط على المقعد الأوسط في رحلة مزدحمة. هذا&مثل ؛ ضغط الليثيوم&مثل ؛ يجعل الأنود ينتفخ إلى ثلاثة أو أربعة أضعاف حجمه الأصلي.
عندما تغادر أيونات الليثيوم ، لا تعود الأشياء&# 39 ؛ ر إلى وضعها الطبيعي. تبقى المساحات الفارغة المعروفة بالشواغر. تملأ ذرات السيليكون النازحة العديد من الوظائف الشاغرة ، ولكن ليس كلها ، مثل الركاب الذين يستعيدون المساحة الفارغة بسرعة عندما يتوجه الراكب الأوسط إلى الحمام. لكن أيونات الليثيوم تعود ، وتشق طريقها مرة أخرى. تتكرر العملية عندما تتحرك أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا بين الأنود والكاثود ، وتندمج المساحات الفارغة في أنود السيليكون لتشكيل فراغات أو فجوات. هذه الفجوات تترجم إلى فشل البطارية.
لقد عرف العلماء عن هذه العملية منذ سنوات ، لكنهم لم يشهدوا من قبل على وجه التحديد كيف تؤدي إلى فشل البطارية. عزا البعض الفشل إلى فقدان السيليكون والليثيوم. ألقى آخرون باللوم على سماكة مكون رئيسي يعرف باسم الطور البيني الصلب بالكهرباء أو SEI. يعتبر SEI هيكلًا دقيقًا على حافة الأنود وهو بوابة مهمة بين الأنود والإلكتروليت السائل.
راقب الفريق في تجاربه تطور الوظائف الشاغرة التي خلفتها أيونات الليثيوم في أنود السيليكون إلى فجوات أكبر وأكبر. ثم راقبوا السائل المنحل بالكهرباء يتدفق في الفجوات مثل المجاري الصغيرة على طول الخط الساحلي ، متسربًا إلى السيليكون. سمح هذا التدفق لـ SEI بالتطور في مناطق داخل السيليكون حيث لا ينبغي أن تكون غازية جزيئية في جزء من البطارية حيث لا ينتمي&# 39 ؛ ر.
أدى ذلك إلى إنشاء مناطق ميتة ، مما أدى إلى تدمير قدرة السيليكون على تخزين الليثيوم وتدمير القطب الموجب.
فكر في كوب زبدة الفول السوداني في شكل أصلي: الشوكولاتة من الخارج مميزة عن زبدة الفول السوداني اللينة بالداخل. ولكن إذا أمسكت بها في يدك لفترة طويلة مع قبضة محكمة جدًا ، فإن الغلاف الخارجي ينعم ويختلط مع الشوكولاتة الناعمة بالداخل. لقد تركت&# 39 ؛ مع كتلة واحدة مضطربة يتغير هيكلها بشكل لا رجعة فيه. لم يعد لديك كوب زبدة فول سوداني حقيقي. وبالمثل ، بعد تسلل المنحل بالكهرباء و SEI إلى السيليكون ، لم يعد لدى العلماء أنود عملي.
شهد الفريق أن هذه العملية تبدأ فورًا بعد دورة بطارية واحدة فقط. بعد 36 دورة ، انخفضت قدرة البطارية&على حمل الشحن بشكل كبير. بعد 100 دورة ، تم تدمير الأنود.
استكشاف وعد أنودات السيليكون
يعمل العلماء على طرق لحماية السيليكون من الإلكتروليت. تقوم العديد من المجموعات ، بما في ذلك العلماء في PNNL ، بتطوير طلاء مصمم ليكون بمثابة حراس بوابات ، مما يسمح لأيونات الليثيوم بالدخول والخروج من القطب الموجب أثناء إيقاف المكونات الأخرى للإلكتروليت.
قام علماء من عدة مؤسسات بتجميع خبراتهم للقيام بهذا العمل. ابتكر العلماء في مختبر لوس ألاموس الوطني أسلاك السيليكون النانوية المستخدمة في الدراسة. عمل علماء PNNL مع نظرائهم في Thermo Fisher Scientific لتعديل مجهر إلكتروني ناقل للتبريد لتقليل الضرر الناتج عن الإلكترونات المستخدمة في التصوير. وقد طور علماء جامعة ولاية بنسلفانيا خوارزمية لمحاكاة الفعل الجزيئي بين السائل والسيليكون.
إجمالاً ، استخدم الفريق الإلكترونات لعمل صور عالية الدقة للعملية ثم أعاد بناء الصور ثلاثية الأبعاد ، على غرار الطريقة التي ينشئ بها الأطباء صورة ثلاثية الأبعاد لطرف أو عضو مريض.
& مثل ؛ يقدم هذا العمل خارطة طريق واضحة لتطوير السيليكون ليكون بمثابة القطب الموجب لبطارية عالية السعة ،&مثل ؛ قال وانغ.
في PNNL ، يعد العمل جزءًا من برنامج بحثي واسع يستكشف أنودات السيليكون ، بما في ذلك المواد الأصلية مثل الطلاءات ، وطرق جديدة لصنع الأجهزة ، وإلكتروليت جديد يزيد من عمر البطارية.
بالإضافة إلى وانغ ، من بين مؤلفي الورقة البحثية الأخرى من PNNL يانغ هي ، وياوبين شو ، وهايبينغ جيا ، وران يي ، ومياو سونغ ، وشياولين لي (وهو أيضًا مؤلف مناظر) وجي جوانج (جايسون) زانج.
مصدر القصة:
الموادمقدمة منوزارة الطاقة / مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني. الأصل بقلم توم ريكي.ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.
