Il silicio è un punto fermo della rivoluzione digitale, deviare un sacco di segnali su un dispositivo che probabilmente è a pochi centimetri dai tuoi occhi in questo preciso momento.

Ora, quello stesso abbondante, il materiale economico sta diventando un serio candidato per un ruolo importante nel fiorente business delle batterie. È particolarmente attraente perché è in grado di contenere 10 volte più energia in una parte importante di una batteria, l'anodo, rispetto alla grafite ampiamente utilizzata.

Ma non così velocemente. Mentre il silicio gode di un'ottima reputazione tra gli scienziati, il materiale stesso si gonfia quando fa parte di una batteria. Si gonfia così tanto che l'anodo si sfalda e si rompe, facendo sì che la batteria perda la sua capacità di mantenere la carica e alla fine fallisca.

Ora gli scienziati hanno assistito per la prima volta al processo, un passo importante per rendere il silicio una scelta praticabile che potrebbe migliorare il costo, prestazioni e velocità di ricarica delle batterie per veicoli elettrici e telefoni cellulari, computer portatili, orologi intelligenti e altri gadget.

"Molte persone hanno immaginato cosa sarebbe potuto succedere ma nessuno lo aveva effettivamente dimostrato prima, " ha detto Chongmin Wang, uno scienziato presso il Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy. Wang è un corrispondente autore del documento recentemente pubblicato in Nanotecnologia della natura.

Di anodi di silicio, tazze di burro di arachidi e passeggeri aerei imballati

Gli ioni di litio sono la valuta energetica in una batteria agli ioni di litio, viaggiando avanti e indietro tra due elettrodi attraverso un liquido chiamato elettrolita. Quando gli ioni di litio entrano in un anodo di silicio, si fanno strada con forza nella struttura ordinata, spingendo gli atomi di silicio di traverso, come un robusto passeggero di una linea aerea che si infila nel sedile centrale di un volo affollato. Questa "compressione al litio" fa gonfiare l'anodo fino a tre o quattro volte la sua dimensione originale.

Quando gli ioni di litio partono, le cose non tornano alla normalità. Rimangono gli spazi vuoti noti come posti vacanti. Gli atomi di silicio spostati riempiono molti, ma non tutto, dei posti vacanti, come i passeggeri che si riprendono rapidamente lo spazio vuoto quando il passeggero centrale si dirige verso il bagno. Ma gli ioni di litio ritornano, spingendosi di nuovo dentro. Il processo si ripete mentre gli ioni di litio si muovono avanti e indietro tra l'anodo e il catodo, e gli spazi vuoti nell'anodo di silicio si fondono per formare vuoti o lacune. Queste lacune si traducono in un guasto della batteria.

Gli scienziati conoscono il processo da anni, ma non avevano mai visto esattamente come si verificasse un guasto alla batteria. Alcuni hanno attribuito il fallimento alla perdita di silicio e litio. Altri hanno accusato l'ispessimento di un componente chiave noto come interfase solido-elettrolita o SEI. Il SEI è una struttura delicata sul bordo dell'anodo che è un importante gateway tra l'anodo e l'elettrolita liquido.

Nei suoi esperimenti, il team ha osservato come i posti vacanti lasciati dagli ioni di litio nell'anodo di silicio si evolvessero in spazi sempre più grandi. Poi guardarono mentre l'elettrolita liquido scorreva negli spazi vuoti come piccoli rivoli lungo una costa, infiltrazione di silicio. Questo afflusso ha permesso al SEI di svilupparsi in aree all'interno del silicio dove non dovrebbe essere, un invasore molecolare in una parte della batteria a cui non appartiene.

Che ha creato zone morte, distruggendo la capacità del silicio di immagazzinare litio e rovinando l'anodo.

Pensa a una tazza di burro di arachidi in forma incontaminata:il cioccolato all'esterno è distinto dal morbido burro di arachidi all'interno. Ma se lo tieni in mano troppo a lungo con una presa troppo stretta, il guscio esterno si ammorbidisce e si mescola con il morbido cioccolato all'interno. Ti rimane un'unica massa disordinata la cui struttura è cambiata in modo irreversibile. Non hai più una vera tazza di burro di arachidi. Allo stesso modo, dopo che l'elettrolita e il SEI si sono infiltrati nel silicio, gli scienziati non hanno più un anodo funzionante.

Il team ha assistito a questo processo iniziare immediatamente dopo un solo ciclo di batteria. Dopo 36 cicli, la capacità della batteria di mantenere la carica era diminuita drasticamente. Dopo 100 cicli, l'anodo era rovinato.

Esplorando la promessa degli anodi di silicio

Gli scienziati stanno lavorando su come proteggere il silicio dall'elettrolita. Diversi gruppi, compresi gli scienziati del PNNL, stanno sviluppando rivestimenti progettati per fungere da gatekeeper, consentendo agli ioni di litio di entrare e uscire dall'anodo fermando altri componenti dell'elettrolita.

Scienziati di diverse istituzioni hanno unito le loro competenze per svolgere il lavoro. Gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno creato i nanofili di silicio utilizzati nello studio. Gli scienziati del PNNL hanno collaborato con le controparti di Thermo Fisher Scientific per modificare un microscopio elettronico a trasmissione criogenica per ridurre il danno degli elettroni utilizzati per l'imaging. E gli scienziati della Penn State University hanno sviluppato un algoritmo per simulare l'azione molecolare tra il liquido e il silicio.

Del tutto, il team ha utilizzato gli elettroni per creare immagini ad altissima risoluzione del processo e poi ha ricostruito le immagini in 3-D, simile a come i medici creano un'immagine 3D dell'arto o dell'organo di un paziente.

"Questo lavoro offre una chiara tabella di marcia per lo sviluppo del silicio come anodo per una batteria ad alta capacità, " ha detto Wang.