Az Egyesült Államokban lítium-ionos akkumulátorokhoz való szilícium anódokkal dolgozó kutatóknak sikerült modellezniük azokat a legfontosabb mechanizmusokat, amelyek az anódokban gyorsan kialakuló teljesítményvesztéshez vezetnek. A tudósok szerint a szilikon felduzzadásának és azt követő széthullás okainak megértése fontos lépés ennek megelőzésében és a hosszú élettartamú, kiemelkedő kapacitású akkumulátorok előállításában.
A bal oldali kép egy viszonylag ép szilícium anódot mutat egy ciklus után. A jobb oldali kép a megsemmisült anódot mutatja 100 ciklus után.
Kép: Chongmin Wang/PNNL
A jelenlegi energiatárolási technológiák számos fejlesztése közül kiemelkedik a grafit szilíciumra cserélése, mivel a szilíciumban benne rejlik a lehetőség, hogy a grafitnál tízszer több energiát legyen képes tárolni.
Az utóbbi években jelentős fejlesztéseken estek át a szilíciumból készült anódok, emellett néhány cég a kereskedelmi forgalomba hozatalra és a nagyüzemi előállításra készül. Azonban még mindig maradtak kihívások és még sok a tennivaló a kutatási szakaszban ahhoz, hogy a szilícium beválthassa az energiatárolás terén benne rejlő lehetőségeket.
A legnagyobb kihívás az, hogy az anyag duzzadásra hajlamos, amint lítiumionnal kerül kölcsönhatásba. Végső soron ez vezet az anód megrepedéséhez, lemezesedéséhez vagy más módon történő széteséséhez és eredeti formája végleges elvesztéséhez. Számos megoldási módra tettek javaslatot – az anód bevonattal ellátására, porózus szilícium alkalmazására, és több is pozitív eredményeket hozott.
Mostanáig azonban csak néhány kutató mélyült el alaposabban az anódban az akkumulátoros ciklus idején lejátszódó folyamatok mechanizmusaiban, és nincs egyetértés abban, hogy pontosan mi játszódik le az atomok szintjén. „Sokaknak volt elképzelésük róla, hogy mi történik, de ezt még senkinek nem sikerült alátámasztania” – jelezte Chongmin Wang, a Pacific Northwest National Laboratórium (PNNL) kutatója.
A PNNL laboratórium egyik csapata ennek megváltoztatását tűzte ki célul, két kifinomult képalkotási eljárás kombinációjára – az érzékeny elem tomográfiára (sensitive elemental tomography) és a kriogén transzmissziós elektronmikroszkópiára (cryogenic scanning transmission electron microscopy), valamint továbbfejlesztett algoritmusokra támaszkodva, hogy működés közben figyelhessék meg a folyamatot. Azt találták, hogy a lítium lényegében be tud jutni a szilícium szerkezetébe, majd távozik onnan és réseket hagy maga után. A szilíciumon belüli réseket ezután feltölti a létrejövő szilárd elektrolit-fázishatár (ahelyett, hogy ez az anód szélén következne be), így az anódon belül „elhalt részek” alakulnak ki, amelyek együttesen gyorsan jelentős kapacitásveszteséget eredményeznek.
A csoport folyamat leírására irányuló munkáját teljes egészében „Progressive growth of the solid-electrolyte interphase towards the Si anode interior cases capacity fading” című közleményben ismertetik, amelyet a „nature nanotechnology” című folyóiratban jelentettek meg. A csoportnak már egyetlen akkumulátor ciklust követően sikerült észlelnie a változást az anód szerkezetében. Jelentős károsodást 36 ciklus követően észleltek, és 100 ciklus után az anód „megsemmisült”.
„Ez a munka világos ütemtervet irányoz elő a szilícium kiemelkedő kapacitású akkumulátorhoz való anódként történő továbbfejlesztésére. A tanulmányban a csoport azt a következtetést vonta le, hogy munkájuk igazolta, hogy a szilícium anódok továbbfejlesztésének leghatékonyabb módja az lehet, ha megakadályozzák vagy korlátozzák az elektrolit bejutását az anódba. A csoport felhívta a figyelmet, hogy munkájuk alkalmazható lehet más kiemelkedő kapacitású anód anyagokra is.
Forrás: pv-magazine
