Un nuovo metodo per caratterizzare l'evoluzione strutturale e chimica del silicio e uno strato sottile che regola la stabilità della batteria possono aiutare a risolvere i problemi che impediscono l'uso del silicio per batterie ad alta capacità, secondo un gruppo di ricercatori.

La ricerca si concentra sull'interfaccia dell'anodo, un elettrodo negativo, e l'elettrolita, che consente alla carica di spostarsi tra l'anodo e l'altro elettrodo, il catodo. Uno strato di interfase solido-elettrolita (SEI) di solito si forma sulla superficie di un elettrodo tra l'elettrodo solido e l'elettrolita liquido ed è vitale per la reazione elettrochimica nelle batterie, oltre a governare la stabilità della batteria. L'uso del silicio come anodo consentirebbe una migliore batteria ricaricabile.

"Negli ultimi 10 anni, il silicio ha attirato molta attenzione come elettrodo negativo ad alta capacità per batterie ricaricabili, " disse Sulin Zhang, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche e di bioingegneria. "Le attuali batterie in commercio utilizzano la grafite come materiale anodico, ma la capacità del silicio è circa 10 volte quella della grafite. Sono decine di milioni, persino centinaia di milioni, di dollari investiti nella ricerca sulle batterie al silicio a causa di questo."

Questa è una buona notizia per una società che cerca di elettrificare la propria infrastruttura con veicoli elettrici e potenti dispositivi elettronici portatili, però, c'è una sfida. Durante il processo di carica e scarica della batteria, il volume di silicio si espande e si restringe, che porta alla rottura del materiale di silicio, e il SEI si sgretolerà e si rigenererà ancora e ancora. Ciò porta alla perdita di contatto elettrico e al degrado della capacità, la quantità di carica immagazzinata dalla batteria.

Comprendere esattamente come si svolge questo processo sia strutturalmente che chimicamente è vitale per risolvere il problema.

"Poiché la stabilità di questo strato controlla la stabilità della batteria, non vuoi che cresca in modo incontrollato perché la creazione di questo strato consumerà materiale elettrolitico e litio attivo, " ha detto Zhang. "E questo può portare all'essiccamento degli elettroliti e alla perdita di materiali attivi, quindi hai un effetto negativo sulle prestazioni della batteria."

La grande sfida che Zhang e il suo team hanno affrontato, pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura , ha potuto osservare, caratterizzare e comprendere questo processo.

"Lo strato SEI è così critico per la batteria, " Zhang ha detto. "Ma è molto sottile, invisibile da qualsiasi microscopio ottico e si evolve dinamicamente durante il ciclo della batteria. Potrebbe essere accessibile a un microscopio elettronico a trasmissione che può essere utilizzato su scala molto nanometrica, materiali molto sottili. Ma per un SEI, questo strato è piuttosto morbido e si distrugge facilmente sui fasci di elettroni perché è necessario inviare molti elettroni per ottenere un'immagine ad alta risoluzione dei componenti del materiale".

Per superare questo, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione criogenica (crio-STEM). Hanno mantenuto i materiali degli elettrodi in ciclo a temperature criogeniche durante la preparazione e l'imaging con un microscopio crio-STEM per ridurre al minimo il danno del campione dal fascio di elettroni. Inoltre, hanno integrato la tomografia elementare sensibile per l'imaging 3D, e un algoritmo avanzato progettato per acquisire immagini a una dose di elettroni inferiore. Questa tecnica ha permesso una vista 3D dell'interazione SEI-silicio, presa dopo vari cicli di batteria.

"L'aspetto unico del nostro metodo è l'imaging crio-STEM e la modellazione di processi fisici multipli, " Zhang ha detto. "Possiamo visualizzare l'evoluzione del silicio e SEI dopo il funzionamento ciclico della batteria; in parallelo possiamo ricapitolare l'intero processo di evoluzione microstrutturale durante il ciclismo utilizzando simulazioni computazionali. Questa è la novità di questa ricerca".

Il lavoro del team ha portato a una migliore comprensione dei meccanismi che causano la crescita e l'instabilità dello strato SEI in un anodo di silicio.

"Così, con la comprensione del meccanismo di crescita dello strato SEI, che ci darà molte informazioni su come migliorare le prestazioni dell'anodo di silicio o il design della batteria, "Ha detto Zhang. "Quindi possiamo creare un anodo di silicio più robusto per la prossima generazione di batterie al litio".

Questa prossima generazione di batterie al litio offrirà molteplici vantaggi sia per l'industria che per il consumatore medio, Lui ha spiegato.

"Il silicio è molto abbondante e se possiamo usare il silicio come anodo con un lungo ciclo di vita, aumenteremo notevolmente la capacità di una batteria ricaricabile, " disse Zhang. "E, perché il silicio è abbondante, che ridurrà il prezzo delle batterie."

Armati della comprensione critica dell'evoluzione dello strato SEI durante la carica e la scarica in una batteria con un anodo di silicio, Zhang ha affermato che il prossimo passo sarà utilizzare tale conoscenza per aiutare a progettare una batteria con anodo di silicio che non perda capacità con il ciclismo.

"Con la comprensione del meccanismo sottostante, il passo successivo è produrre qualche ipotesi scientifica, " ha detto Zhang. "E poi testeremo questa ipotesi con anodi di silicio in modo da poter mitigare l'effetto dannoso associato al cambiamento di volume del silicio. Controllando l'attuale incontrollabile, possiamo progettare un elettrodo di silicio con prestazioni migliori."

Insieme a Zhang, I ricercatori della Penn State coinvolti nello studio includono Tianwu Chen e Dingchuan Xue, studenti laureati in scienze ingegneristiche e meccaniche. Altri ricercatori includono, dal Pacific Northwest National Laboratory, Yang He, Yaobin Xu, Chongmin Wang, Haiping Jia, Ran Yi, Miao canzone, Xiaolin Li e Ji-Guang Zhang; di Thermo Fisher Scientific, Lin Jiang, Arda Genc, Cedric Bouchet-Marchese, Lee Pullan e Ted Tessner; e dal Laboratorio Nazionale di Los Alamos, Jinkyoung Yoo.

Il Dipartimento dell'Energia e la National Science Foundation hanno finanziato questa ricerca.