El equipo pudo mostrar a través de mediciones de neutrones realizadas en el Institut Laue-Langevin en Grenoble, Francia, que los iones de litio no penetran profundamente en el silicio. Durante el ciclo de carga, se desarrolla una capa de ánodo de 20 nm que contiene un nivel extremadamente altoproporción de litio. Esto significa que capas extremadamente delgadas de silicio serían suficientes para lograr la carga máxima de litio.
Las baterías de iones de litio proporcionan energía confiable a las computadoras portátiles, teléfonos inteligentes y tabletas. Sin embargo, los vehículos eléctricos no han llegado tan lejos como las baterías de iones de litio convencionales. Esto se debe a que los materiales de electrodos utilizados actualmente, como el grafito, solo puedenpara adsorber de manera estable un número limitado de iones de litio, restringiendo la capacidad de estas baterías. Por lo tanto, los materiales semiconductores como el silicio están recibiendo atención como electrodos alternativos para las baterías de litio. El silicio a granel puede absorber enormes cantidades de litio. Sin embargo, la migración del litioLos iones destruyen la estructura cristalina del silicio. Esto puede aumentar el volumen en un factor de tres, lo que conduce a grandes tensiones mecánicas.
Observación durante el ciclo de carga
Ahora, un equipo del Instituto HZB para Materia Suave y Materiales Funcionales dirigido por el Prof. Matthias Ballauff ha observado directamente por primera vez una media celda de litio-silicio durante sus ciclos de carga y descarga ". Pudimos rastrear con precisión dóndelos iones de litio se adsorben en el electrodo de silicio utilizando métodos de reflectometría de neutrones, y también qué tan rápido se movían ", comenta la Dra. Beatrix-Kamelia Seidlhofer, quien llevó a cabo los experimentos utilizando la fuente de neutrones ubicada en el Instituto Laue-Langevin.
capa rica en litio de solo 20 nanómetros
Descubrió dos zonas diferentes durante sus investigaciones. Cerca del límite de los electrolitos, se formó una capa de aproximadamente 20 nm con un contenido de litio extremadamente alto: 25 átomos de litio se alojaron entre 10 átomos de silicio. Una segunda capa adyacente contenía solo un átomo de litiopara diez átomos de silicio. Ambas capas juntas tienen menos de 100 nm de espesor después del segundo ciclo de carga.
capacidad máxima teórica
Después de la descarga, aproximadamente un ion de litio por nodo de silicio en el electrodo permaneció en la capa límite de silicio expuesta a los electrolitos. Seidlhofer calcula a partir de esto que la capacidad máxima teórica de este tipo de baterías de silicio-litio es de aproximadamente 2300 mAh / gEsto es más de seis veces la capacidad máxima alcanzable teórica para una batería de iones de litio construida con grafito 372 mAh / g.
Menos es más
Estos son hallazgos sustanciales que podrían mejorar el diseño de los electrodos de silicio: las películas de silicio muy delgadas deberían ser suficientes para absorber la máxima cantidad posible de litio, lo que a su vez ahorraría en material y especialmente en energía consumida durante la fabricación: menos es más!
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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