Struktur Nano Silicon Anode Menghasilkan Potensi Baru untuk Baterai Lithium-Ion

Di

Di ruang 1, nanopartikel, terbuat dari logam tantalum, dibudidayakan. Di dalam ruangan ini, atom tantalum individu berkumpul, mirip dengan pembentukan tetesan hujan. Di ruang 2, nanopartikel disaring secara massal, menghilangkan yang terlalu besar atau terlalu kecil. Di ruang 3, lapisan nanopartikel diendapkan. Lapisan ini kemudian “disemprot” dengan atom silikon yang diisolasi, membentuk lapisan silikon. Proses ini dapat diulangi untuk membuat struktur berlapis-lapis. Kredit: Skema dibuat oleh Pavel Puchenkov, Bagian Ilmiah Informatika & Analisis Data OIST

Ilmuwan mengungkapkan struktur nano baru yang dapat merevolusi teknologi dalam baterai dan seterusnya.

  • Penelitian baru telah mengidentifikasi struktur nano yang meningkatkan anoda dalam baterai lithium-ion
  • Alih-alih menggunakan grafit untuk anoda, para peneliti beralih ke silikon: bahan yang menahan lebih banyak muatan tetapi rentan terhadap patah.
  • Tim membuat anoda silikon dengan mengendapkan atom silikon di atas nanopartikel logam
  • Struktur nano yang dihasilkan membentuk lengkungan, meningkatkan kekuatan dan integritas struktural anoda
  • Uji elektrokimia menunjukkan bahwa baterai lithium-ion dengan anoda silikon yang ditingkatkan memiliki kapasitas pengisian yang lebih tinggi dan umur yang lebih lama.

Penelitian baru yang dilakukan oleh Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) telah mengidentifikasi blok bangunan spesifik yang meningkatkan anoda dalam baterai lithium-ion. Sifat unik dari struktur tersebut, yang dibangun menggunakan teknologi partikel nano, diungkapkan dan dijelaskan hari ini (5 Februari 2021) di Materi Komunikasi.

Baterai lithium-ion yang kuat, portabel, dan dapat diisi ulang merupakan komponen penting dari teknologi modern, yang dapat ditemukan di smartphone, laptop, dan kendaraan listrik. Pada tahun 2019, potensinya untuk merevolusi cara kita menghemat dan mengonsumsi energi di masa depan, ketika kita menjauh dari bahan bakar fosil, telah diakui secara luas, dengan Hadiah Nobel diberikan bersama kepada anggota baru Dewan Gubernur OIST, Dr. .Akira Yoshino, atas karyanya mengembangkan baterai lithium-ion.

Secara tradisional, grafit digunakan untuk anoda baterai lithium-ion, tetapi bahan karbon ini memiliki keterbatasan utama.

“Saat baterai diisi, ion litium dipaksa untuk bergerak dari satu sisi baterai – katoda – melalui larutan elektrolitik ke sisi lain baterai – anoda. Kemudian, saat baterai digunakan, ion litium kembali ke katoda dan arus listrik dilepaskan dari baterai, ”jelas Dr. Marta Haro, mantan peneliti di OIST dan penulis utama studi tersebut. “Tapi dalam anoda grafit, enam atom karbon dibutuhkan untuk menyimpan ion litium, jadi kepadatan energi baterai ini rendah.”

Dengan sains dan industri yang sedang menjajaki penggunaan baterai lithium-ion untuk menggerakkan kendaraan listrik dan pesawat ruang angkasa, meningkatkan kepadatan energi sangat penting. Peneliti kini mencari material baru yang dapat meningkatkan jumlah ion litium yang tersimpan di anoda.

Salah satu kandidat yang paling menjanjikan adalah silikon, yang dapat mengikat empat ion litium ke setiap silikon atom.

Fase Pertumbuhan Film Silikon dan Kekuatan Mekanik

Pada tahap pertama, film silikon ada sebagai struktur kolom yang kaku tetapi berosilasi. Pada tahap kedua, kolom bersentuhan di bagian atas, membentuk struktur berkubah, yang kuat karena aksi lengkungan. Pada tahap ketiga, deposisi atom silikon lebih lanjut menghasilkan struktur seperti spons. Garis putus-putus merah menunjukkan bagaimana silikon berubah bentuk saat gaya diterapkan. Kredit: Skema yang dibuat oleh Dr. Panagiotis Grammatikopoulos, Nanopartikel OIST dari Unit Desain dan Laboratorium Teknologi Partikel, ETH Zürich

“Anoda silikon dapat menyimpan muatan sepuluh kali lebih banyak dalam volume tertentu daripada anoda grafit – urutan yang jauh lebih tinggi dalam hal kepadatan energi,” kata Dr. Haro. Masalahnya adalah ketika ion lithium bergerak di anoda, perubahan volumenya sangat besar, hingga sekitar 400%, yang menyebabkan elektroda patah dan putus.

Perubahan volume yang besar juga mencegah stabilnya pembentukan lapisan pelindung yang terletak di antara elektrolit dan anoda. Oleh karena itu, setiap kali baterai diisi, lapisan ini harus terus menerus dibentuk kembali, menggunakan pasokan ion litium yang terbatas dan mengurangi masa pakai dan daya isi ulang baterai.

“Tujuan kami adalah untuk menguji dan membuat anoda yang lebih kuat yang mampu menahan tekanan ini, yang dapat menyerap lithium sebanyak mungkin dan memastikan jumlah siklus pengisian terpanjang sebelum memburuk,” kata Dr. Grammatikopoulos, penulis senior kartu tersebut. . “Dan pendekatan yang kami ambil adalah membangun struktur menggunakan nanopartikel.”

Dalam artikel sebelumnya, diterbitkan pada tahun 2017 di Ilmu Pengetahuan Lanjut, Nanopartikel OIST sekarang dilarutkan oleh Conception Units mengembangkan struktur berlapis seperti kue, di mana setiap lapisan silikon diapit di antara nanopartikel logam tantalum. Ini meningkatkan integritas struktural anoda silikon, menghindari pembengkakan yang berlebihan.

Saat bereksperimen dengan ketebalan yang berbeda dari lapisan silikon untuk melihat bagaimana hal itu mempengaruhi sifat elastis material, para peneliti melihat sesuatu yang aneh.

“Ada titik pada ketebalan tertentu dari lapisan silikon di mana sifat elastis dari struktur benar-benar berubah,” kata Theo Bouloumis, mahasiswa doktoral di OIST yang melakukan percobaan ini. “Material secara bertahap menjadi lebih kaku, tetapi kemudian berkurang dengan cepat dalam kekakuan karena ketebalan lapisan silikon semakin meningkat. Kami punya beberapa ide, tetapi pada saat itu, kami tidak tahu alasan fundamental untuk alasannya.” mutasi ini “.

Sekarang, makalah baru ini akhirnya memberikan penjelasan untuk pergeseran tiba-tiba dalam kekakuan ke kedalaman kritis.

Melalui teknik mikroskop dan simulasi komputer pada tingkat atom, para peneliti menunjukkan bahwa ketika atom silikon diendapkan pada lapisan nanopartikel, mereka tidak membentuk film yang seragam dan seragam. Sebaliknya, mereka membentuk kolom dalam bentuk kerucut terbalik, tumbuh semakin besar karena semakin banyak atom silikon yang disimpan. Pada akhirnya, kolom silikon individu bersentuhan, membentuk struktur berkubah.

“Struktur kubahnya kuat, sebagai busur kuat dalam teknik sipil,” kata Dr. Grammatikopoulos. “Konsep yang sama berlaku, hanya pada skala nano.”

Yang penting, peningkatan kekuatan struktur juga bertepatan dengan kinerja baterai yang ditingkatkan. Ketika para ilmuwan melakukan tes elektrokimia, mereka menemukan bahwa baterai lithium-ion memiliki kapasitas pengisian yang meningkat. Lapisan pelindungnya bahkan lebih stabil, yang berarti baterai dapat menahan lebih banyak siklus pengisian daya.

Peningkatan ini hanya terlihat pada saat kolom bersentuhan. Sebelumnya, pilar individu berosilasi dan dengan demikian tidak dapat memberikan integritas struktural ke anoda. Dan jika pengendapan silikon berlanjut setelah sentuhan kolom, itu menciptakan film berpori dengan banyak rongga, menghasilkan perilaku yang lemah, mirip dengan spons.

Pengungkapan struktur di sekitarnya dan bagaimana ia memperoleh sifat uniknya bertindak tidak hanya sebagai langkah maju yang penting menuju komersialisasi anoda silikon dalam baterai lithium-ion, tetapi juga memiliki banyak aplikasi potensial lainnya dalam ilmu material.

“Struktur kubah dapat digunakan bila dibutuhkan material yang kuat dan mampu menopang berbagai tekanan, seperti untuk bio-plant atau untuk menyimpan hidrogen,” kata Dr. Grammatikopoulos. “Jenis material yang Anda butuhkan – lebih kuat atau lebih lembut, lebih fleksibel atau kurang fleksibel – dapat dibuat secara akurat, hanya dengan mengubah ketebalan lapisan. Inilah keindahan struktur nano.”

Referensi: 5 Februari 2021, Materi Komunikasi.
DOI: 10.1038 / s43246-021-00119-0

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.