Uno studio che esamina un nuovo tipo di elettrodo nanocomposito silicio-carbonio rivela dettagli su come funzionano e su come l'uso ripetuto potrebbe logorarli. Lo studio fornisce anche indizi sul perché questo materiale si comporta meglio del solo silicio. Con una capacità elettrica cinque volte superiore rispetto agli elettrodi per batterie al litio convenzionali, elettrodi nanocompositi silicio-carbonio potrebbero portare a una maggiore durata, batterie ricaricabili più economiche per veicoli elettrici.

Pubblicato online sulla rivista Nano lettere la settimana scorsa, lo studio include video degli elettrodi che vengono caricati a una risoluzione su scala nanometrica. Guardarli in uso può aiutare i ricercatori a comprendere i punti di forza e di debolezza del materiale.

"Gli elettrodi si espandono man mano che si caricano, e questo riduce la durata della batteria, " ha affermato il ricercatore capo Chongmin Wang presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. "Vogliamo imparare come migliorare la loro durata di vita, perché gli elettrodi in nanofibra di silicio e carbonio hanno un grande potenziale per le batterie ricaricabili."

Più meno

Il silicio presenta sia vantaggi che svantaggi per l'uso come materiale per batterie. Ha un'elevata capacità di accumulo di energia, quindi può assumere una carica pesante. problema del silicio, anche se, è che si gonfia quando è carico, espandendo fino a 3 volte la sua dimensione scaricata. Se gli elettrodi di silicio sono imballati strettamente in una batteria, questa espansione può causare lo scoppio delle batterie. Alcuni ricercatori stanno esplorando elettrodi di dimensioni nanometriche che funzionano meglio in confini così ristretti.

Un gruppo multi-istituzionale guidato da Wang del PNNL ha deciso di testare elettrodi di dimensioni nanometriche costituiti da nanofibre di carbonio ricoperte di silicio. L'elevata conducibilità del carbonio, che lascia fluire l'elettricità, integra perfettamente l'elevata capacità del silicio, che lo memorizza.

I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del DOE a Oak Ridge, Ten., Scienze Applicate Inc. a Cedarville, Ohio, e il centro globale di ricerca e sviluppo di General Motors a Warren, Mich ha creato nanofibre di carbonio con un sottile strato di silicio avvolto intorno. Hanno fornito gli elettrodi al team del PNNL per sondare il loro comportamento durante il funzionamento.

Primo, Wang e colleghi hanno testato quanto litio potevano contenere gli elettrodi e quanto tempo sono durati inserendoli in una piccola batteria di prova chiamata mezza cella. Dopo 100 cicli di carica-scarica, gli elettrodi mantenevano ancora un'ottima capacità di circa 1000 milliAmp-ora per grammo di materiale, da cinque a 10 volte la capacità degli elettrodi convenzionali nelle batterie agli ioni di litio.

Nonostante si siano comportati bene, il team sospettava che l'espansione e la contrazione del silicio potesse essere un problema per la longevità della batteria, poiché lo stretching tende a logorare le cose. Per determinare quanto bene gli elettrodi resistono allo stiramento ripetuto, Wang ha aperto un appositamente progettato, minuscola batteria in un microscopio elettronico a trasmissione, che può visualizzare oggetti ampi nanometri, nell'EMSL del DOE, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali del Campus PNNL.

Hanno ingrandito l'elettrodo della minuscola batteria utilizzando una nuova microscopia finanziata dal Recovery Act. Questo microscopio ha permesso al team di studiare l'elettrodo in uso, e hanno scattato immagini e video mentre la minuscola batteria veniva caricata e scaricata.

Non di cristallo

Lavori precedenti hanno dimostrato che la carica fa fluire gli ioni di litio nel silicio. In questo studio, gli ioni di litio fluivano nello strato di silicio lungo la lunghezza della nanofibra di carbonio ad una velocità di circa 130 nanometri al secondo. Questo è circa 60 volte più veloce del solo silicio, suggerendo che il carbonio sottostante migliora la velocità di ricarica del silicio.

Come previsto, lo strato di silicio si è gonfiato di circa il 300 percento quando è entrato il litio. Però, la combinazione del supporto in carbonio e la qualità non strutturata del silicio gli ha permesso di gonfiarsi in modo uniforme. Questo si confronta favorevolmente con il silicio da solo, che si gonfia in modo irregolare, causando imperfezioni.

Oltre al gonfiore, il litio è noto per causare altre modifiche al silicio. La combinazione di litio e silicio inizialmente forma una struttura non strutturata, strato vetroso. Quindi, quando il rapporto litio/silicio arriva da 15 a 4, lo strato vetroso si cristallizza rapidamente, come hanno dimostrato lavori precedenti di altri ricercatori.

Wang e colleghi hanno esaminato il processo di cristallizzazione al microscopio per comprenderlo meglio. Nel video del microscopio, potevano vedere l'avanzare della cristallizzazione mentre il litio riempiva il silicio e raggiungeva il rapporto 15 a 4.

Hanno scoperto che questa cristallizzazione è diversa dal modo classico in cui si cristallizzano molte sostanze, che si costruisce da un punto di partenza. Piuttosto, lo strato di litio e silicio si è incastrato in un cristallo tutto in una volta quando il rapporto ha raggiunto esattamente 15 a 4. Le analisi computazionali di questa cristallizzazione hanno verificato la sua natura scattante, un tipo di cristallizzazione noto come transizione di fase congruente.

Ma la cristallizzazione non era permanente. Al momento dello scarico, il team ha scoperto che lo strato di cristallo è diventato di nuovo vetroso, quando la concentrazione di litio è diminuita mentre usciva dal silicio.

Per determinare se l'uso ripetuto ha lasciato il segno sull'elettrodo, il team ha caricato e scaricato la minuscola batteria 4 volte. Confrontando la stessa regione dell'elettrodo tra la prima e la quarta carica, la squadra ha visto la superficie diventare ruvida, simile a una strada con buche.

I cambiamenti di superficie erano probabilmente dovuti agli ioni di litio che lasciavano un po' di danni sulla loro scia al momento dello scarico, disse Wang. "Possiamo vedere la superficie dell'elettrodo passare da liscia a ruvida mentre lo carichiamo e scarichiamo. Pensiamo mentre cicla, si verificano piccoli difetti, e i difetti si accumulano."

Ma il fatto che lo strato di silicio sia molto sottile lo rende più resistente del silicio più spesso. In silicone spesso, i buchi lasciati dagli ioni di litio possono unirsi per formare grandi cavità. "Nel disegno attuale, perché il silicio è così sottile, non si ottengono cavità più grandi, proprio come piccole bolle di gas in acque poco profonde salgono in superficie. Se l'acqua è profonda, le bolle si uniscono e formano bolle più grandi."

Nel lavoro futuro, i ricercatori sperano di esplorare lo spessore dello strato di silicio e quanto bene si leghi al carbonio sottostante per ottimizzare le prestazioni e la durata degli elettrodi.