Dwa zdjęcia ilustrują zmiany molekularne zachodzące podczas wielokrotnego ładowania i rozładowywania anody krzemowej. Obraz po lewej stronie pokazuje anodę praktycznie nienaruszoną po jednym cyklu, z krzemem (zielony) wyraźnie oddzielonym od składnika fazy pośredniej elektrolitu stałego (fluor, na czerwono). Obraz po prawej stronie pokazuje anodę po 100 cyklach

Krzem podstawą baterii przyszłości? To może być przełom

Krzem ma potencjał do przechowywania znacznie większych ilości energii niż grafit, więc jest idealnym kandydatem na baterie przyszłości. Problemem jest jednak wytrzymałość tego materiału – nie jest w stanie znieść naprężeń związanych z cyklem pracy baterii. Naukowcy wpadli na pomysł, jak można to obejść.

Prace nad integracją krzemu z ogniwami litowo-jonowymi trwają już od dawna, ale bez większych sukcesów. Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory mają nadzieję na zastąpienie grafitu jako składnika anody krzemem – to dlatego, że może on przechowywać nawet 10 razy więcej energii. Problem polega jednak na tym, że w miarę ładowania i rozładowywania baterii, krzem pęcznieje i powoduje pękanie anody. Teraz w końcu jest pomysł, jak to zmienić.

Baterie krzemowe coraz bliżej

Podczas pracy baterii, jony litu przemieszczają się między anodą i katodą poprzez elektrolit. Gdy dotrą one do anody, odsuwają atomy krzemu na bok, co sprawia, że powiększa ona 3-4 razy swoje rozmiary. Gdy jony litu ponownie ją opuszczają, powstają puste przestrzenie, które powodują awarię baterii.

Naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory użyli transmisyjnego mikroskopu elektronowego do obserwacji aktywności molekularnej w baterii litowej z anodą krzemową podczas jej ładowania i rozładowywania. Powstają puste przestrzenie, do których wnika ciekły elektrolit.

Chongmin Wang podczas eksperymentu

To powodowało zniekształcenie ważnej struktury na krawędzi anody, tzw. fazy pośredniej ciało stałe-elektrolit (SEI). Efektem końcowym było powstawanie „martwych stref”, uniemożliwiających funkcjonowanie anody. Zaobserwowano, że proces ten rozpoczyna się już po jednym cyklu, a po 36 zdolność baterii do zachowania ładunku znacznie spada. Po 100 cyklach anoda zostaje zniszczona.

Pomysł, jak temu zaradzić, jest banalny, co opisują sami naukowcy.

Z obecnej obserwacji wynika, że aby rozwiązać problem krzemu, konieczne jest utworzenie twardej powłoki, która odizoluje krzem od ciekłego elektrolitu. Istnieją dwa sposoby, aby to zrobić. Jednym z nich jest „improwizowane” utworzenie twardej powłoki na krzemie podczas pierwszego uruchomienia baterii, która musi dostosować skład ciekłego elektrolitu, aby umożliwić utworzenie takiej inteligentnej powłoki. Alternatywnie, można nałożyć inteligentną warstwę powłoki na krzem, co prowadzi do odizolowania krzemu od kontaktu z ciekłym elektrolitem.

Chongmin Wang, główny autor badań

Wynik badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Nanotechnology.