การทำความเข้าใจความล้มเหลวของซิลิคอนเป็นการเปิดทางสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีความจุสูงกว่า

ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบลวดซิลิคอน อิเล็กโทรไลต์จะลอกซิลิคอนออก ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อเส้นทางอิเล็กทรอนิกส์ และลดความสามารถในการชาร์จของอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มดีเหล่านี้ลงอย่างมาก

รายงานฉบับใหม่ (การเติบโตอย่างก้าวหน้าของของแข็ง - อิเล็กโทรไลต์ในอุตสาหกรรมได้กำหนดเป้าหมายสำหรับแบตเตอรี่ Siano de inter ocean) ยืนยันว่ากระบวนการนี้เปิดช่องทางการวิจัยใหม่ ในท้ายที่สุดจะใช้ศักยภาพมหาศาลของซิลิคอนในการเปลี่ยนแปลงความจุสูงและอายุการใช้งานยาวนาน -แบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ยาวนานตั้งแต่โทรศัพท์มือถือไปจนถึงรถยนต์

Jinkyoung Yoo นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos และผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้องกล่าวว่าด้วยความเข้าใจใหม่นี้ เราขอแนะนำให้พัฒนาวิธีการเคลือบที่แยกซิลิคอนออกจากอิเล็กโทรไลต์ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซิลิคอนนาโนไวร์ Yoo เป็นผู้ปลูกวัสดุนาโนเซมิคอนดักเตอร์ที่ Integrated Technology Center (CINT) ซึ่งเป็นโรงงานผู้ใช้ของ Department of Energy ที่ Los Alamos และ Sandia National Laboratories

ภาพถ่ายของเส้นลวดนาโนซิลิคอนที่ปลูกบนจานสแตนเลส (ตามเข็มนาฬิกาจากมุมซ้ายบน) จะแสดงในมุมมองด้านข้าง ด้านบน และมาโคร ดิสก์มีขนาดประมาณหนึ่งในสี่ งานวิจัยใหม่ของ NatureNanotech ได้ค้นพบกระบวนการจำกัดการใช้ซิลิคอนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และระบุแนวทางการวิจัยเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ความจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่มีขั้วบวกซิลิคอนเป็น 10 เท่าของความจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่มีขั้วบวกที่ใช้กราไฟท์ทั่วไป

การศึกษานี้ดำเนินการโดยผู้ทำงานร่วมกันจากห้องปฏิบัติการและมหาวิทยาลัยระดับชาติหลายแห่ง โดยบูรณาการการตรวจเอกซเรย์องค์ประกอบที่มีความไวผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดด้วยการสแกนที่อุณหภูมิต่ำ (อัลกอริธึมการวิเคราะห์ขั้นสูง) และเผยให้เห็นโครงสร้างที่เกี่ยวข้องและวิวัฒนาการทางเคมีของซิลิคอนตลอดจนปฏิสัมพันธ์ระหว่าง อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งในรูปแบบ 3 มิติ

Yoo ปลูกป่าลวดนาโนซิลิคอนบนแผ่นสแตนเลสเพื่อเป็นขั้วบวกสำหรับการทดลองแบตเตอรี่ โรงงานของ CINT ในลอส อลามอส มีความสามารถพิเศษในการปลูกลวดซิลิกอนประเภทนี้บนขั้วบวกโดยตรง

นักวิจัยในห้องปฏิบัติการทั้งทางอุตสาหกรรมและระดับชาติเชื่อว่าซิลิคอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดลบความจุสูงที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นต่อไป แบตเตอรี่ประกอบด้วยขั้วบวกที่นำอิเล็กตรอนเข้ามาและแคโทดที่เคลื่อนอิเล็กตรอนออกไปเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า

การใช้แอโนดที่ใช้กราไฟท์และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ครอบคลุมระยะทางของโทรศัพท์มือถือและยานพาหนะไฟฟ้าเกิน 400 ไมล์ การพัฒนาเจนเนอเรชั่นถัดไปโดยใช้ซิลิคอนแอโนดซึ่งทราบกันว่ามีความจุมากกว่าแบตเตอรี่แอโนดกราไฟท์ถึง 10 เท่า ได้ถูกขัดขวางโดยการลดประสิทธิภาพความจุหลังจากการชาร์จซ้ำหลายครั้ง

หลังจากชาร์จ/คายประจุครบ 100 รอบ การใช้แบตเตอรี่ซิลิคอนสามารถจัดการความจุเดิมได้เพียง 60% เท่านั้น ซึ่งไม่เพียงพอสำหรับเทคโนโลยีรายวัน

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครทราบเหตุผลที่แน่ชัด

ในการใช้งานในระยะแรก เมื่ออนุภาคทรงกลมซิลิคอนสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์และมีประจุ อนุภาคเหล่านี้จะขยายตัว 300% และสร้างความเสียหายให้กับขั้วบวก ในแบตเตอรี่ทุกประเภท กระบวนการให้ขั้วบวกสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์จะสร้างปฏิกิริยาให้เกิด SEI SEI มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความเสถียรของแบตเตอรี่ เนื่องจากมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่และควบคุมความเสถียรของแบตเตอรี่

เมื่อ SEI แยกออกจากขั้วบวก เช่นเดียวกับที่ทำกับซิลิคอน หน้าสัมผัสทางไฟฟ้าจะขาดและความจุของแบตเตอรี่จะลดลง

“เราเคยคิดว่าเส้นลวดนาโนสามารถแก้ปัญหาการขยายตัวของซิลิคอนในอิเล็กโทรไลต์ได้เพราะว่าลวดเส้นเดียวสามารถยืดออกได้ แต่เราไม่เข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้น” ยูอธิบาย

Yoo กล่าวว่าการวิจัยใหม่พบว่าอิเล็กโทรไลต์สามารถทะลุผ่านซิลิคอน สร้างช่อง SEI และขัดขวางเส้นทางอิเล็กทรอนิกส์ กระบวนการนี้จะตัดการเชื่อมต่อเกาะซิลิคอนที่แยกออกจากกันในขั้วบวกที่ไม่สามารถเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ได้ Yoo กล่าวว่าขั้นตอนการวิจัยต่อไปคือการเคลือบอนุภาคซิลิคอนหรือเส้นนาโนเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของซิลิคอนเมื่อมีอิเล็กโทรไลต์