सिलिकॉन विफलता को समझने से उच्च क्षमता वाली लिथियम बैटरी पर शोध का रास्ता खुल जाता है

सिलिकॉन तार लिथियम-आयन बैटरियों में, इलेक्ट्रोलाइट सिलिकॉन को छील देता है, जो इलेक्ट्रॉनिक मार्गों में बाधा उत्पन्न करता है और इन आशाजनक उपकरणों की चार्जिंग क्षमता को काफी कम कर देता है।

नया पेपर (उद्योग में ठोस-इलेक्ट्रोलाइट की प्रगतिशील वृद्धि ने सियानो डी इंटर ओशियन बैटरियों के लिए लक्ष्य निर्धारित किए हैं) पुष्टि करता है कि यह प्रक्रिया नए अनुसंधान के रास्ते खोलती है, अंततः उच्च क्षमता और लंबी अवधि को पूरी तरह से बदलने के लिए सिलिकॉन की विशाल क्षमता का उपयोग करती है। -मोबाइल फोन से लेकर कारों तक चलने वाली बैटरी।

लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिक और पेपर के संबंधित लेखक जिंकयॉन्ग यू ने कहा कि इस नई समझ के साथ, हम एक कोटिंग विधि विकसित करने का सुझाव देते हैं जो सिलिकॉन नैनोवायर लिथियम-आयन बैटरी के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए इलेक्ट्रोलाइट से सिलिकॉन को अलग करती है। यू इंटीग्रेटेड टेक्नोलॉजी सेंटर (सीआईएनटी) में एक सेमीकंडक्टर नैनोमटेरियल उत्पादक है, जो लॉस एलामोस और सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज में ऊर्जा विभाग की एक उपयोगकर्ता सुविधा है।

स्टेनलेस स्टील डिस्क (ऊपरी बाएं कोने से दक्षिणावर्त) पर उगाए गए सिलिकॉन नैनोवायरों की एक तस्वीर साइड, टॉप और मैक्रो दृश्यों में प्रदर्शित की जाती है। डिस्क लगभग एक चौथाई आकार की है. नेचरनैनोटेक के नए शोध ने लिथियम-आयन बैटरी में सिलिकॉन के उपयोग को सीमित करने की प्रक्रिया की खोज की है और इन मुद्दों को दूर करने के लिए अनुसंधान के तरीकों की पहचान की है। सिलिकॉन एनोड वाली बैटरी की विद्युत भंडारण क्षमता सामान्य ग्रेफाइट आधारित एनोड वाली बैटरी की तुलना में 10 गुना है।

यह अध्ययन राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं और विश्वविद्यालयों की एक श्रृंखला के सहयोगियों द्वारा आयोजित किया गया था, जिसमें कम तापमान स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एक उन्नत विश्लेषणात्मक एल्गोरिदम) के माध्यम से संवेदनशील तत्व टोमोग्राफी को एकीकृत किया गया था, और सिलिकॉन की संबंधित संरचना और रासायनिक विकास के साथ-साथ बीच की बातचीत का खुलासा किया गया था। 3डी में ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स।

यू ने बैटरी प्रयोगों के लिए एनोड के रूप में एक स्टेनलेस स्टील डिस्क पर सिलिकॉन नैनोवायर का जंगल लगाया। लॉस एलामोस में CINT सुविधा में इस प्रकार के सिलिकॉन तार को सीधे एनोड पर विकसित करने की एक अद्वितीय क्षमता है।

औद्योगिक और राष्ट्रीय प्रयोगशाला शोधकर्ताओं दोनों का मानना ​​है कि अगली पीढ़ी की लिथियम-आयन बैटरियों के व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए सिलिकॉन सबसे आशाजनक उच्च क्षमता वाली नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री है। बैटरी में एक एनोड शामिल होता है जो इलेक्ट्रॉनों को अंदर लाता है और एक कैथोड जो इलेक्ट्रॉनों को करंट उत्पन्न करने के लिए बाहर ले जाता है।

ग्रेफाइट आधारित एनोड और लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग करते हुए, मोबाइल फोन और इलेक्ट्रिक वाहनों की सीमा 400 मील से अधिक है। सिलिकॉन एनोड का उपयोग करके अगली पीढ़ी का विकास करना, जिसे ग्रेफाइट एनोड बैटरी की तुलना में 10 गुना अधिक भंडारण क्षमता के लिए जाना जाता है, बार-बार चार्ज करने के बाद क्षमता में गिरावट के कारण बाधित हो गया है।

100 चार्जिंग/डिस्चार्जिंग चक्रों के बाद, सिलिकॉन बैटरियों का उपयोग करके उनकी मूल भंडारण क्षमता का केवल 60% ही प्रबंधित किया जा सकता है, जो दैनिक प्रौद्योगिकी के लिए पर्याप्त नहीं है।

अभी तक इसका सही कारण किसी को नहीं पता.

शुरुआती अनुप्रयोगों में, जब सिलिकॉन के गोलाकार कणों को इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में लाया जाता था और चार्ज किया जाता था, तो वे 300% तक फैल जाते थे और एनोड को नुकसान पहुंचाते थे। सभी प्रकार की बैटरियों में, एनोड को इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में लाने की प्रक्रिया एसईआई बनाने के लिए एक प्रतिक्रिया उत्पन्न करती है। एसईआई बैटरी स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह बैटरी के भीतर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है और इसकी स्थिरता को नियंत्रित करता है।

जब एसईआई एनोड से अलग हो जाता है, जैसे यह सिलिकॉन के साथ होता है, तो विद्युत संपर्क टूट जाता है और बैटरी की क्षमता कम हो जाती है।

"हम सोचते थे कि नैनोवायर इलेक्ट्रोलाइट्स में सिलिकॉन विस्तार की समस्या को हल कर सकते हैं क्योंकि एक तार को खींचा जा सकता है, लेकिन हमें समझ नहीं आया कि क्या हुआ," यू ने समझाया।

यू ने कहा कि नए शोध में पाया गया है कि इलेक्ट्रोलाइट्स पूरे सिलिकॉन में प्रवेश कर सकते हैं, एसईआई पॉकेट बना सकते हैं और इलेक्ट्रॉनिक मार्गों को बाधित कर सकते हैं। यह प्रक्रिया एनोड में पृथक सिलिकॉन द्वीपों को डिस्कनेक्ट कर देती है जो बैटरी की क्षमता नहीं बढ़ा सकते। यू ने कहा कि अगला शोध कदम इलेक्ट्रोलाइट्स की उपस्थिति में सिलिकॉन की अखंडता को बनाए रखने के लिए सिलिकॉन कणों या नैनोवायरों को कोट करना है।