ตอนนี้วัสดุราคาถูกที่อุดมสมบูรณ์และราคาถูกนั้นกำลังกลายเป็นตัวเลือกที่สำคัญสำหรับบทบาทสำคัญในธุรกิจแบตเตอรี่ที่กำลังเติบโต เป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่งเพราะสามารถเก็บพลังงานไว้ได้มากถึง 10 เท่าในส่วนสำคัญของแบตเตอรี่ ขั้วบวก มากกว่ากราไฟท์ที่ใช้กันทั่วไป

แต่ไม่เร็วนัก แม้ว่าซิลิกอนจะขึ้นชื่อในหมู่นักวิทยาศาสตร์ แต่ตัววัสดุเองก็พองตัวได้เมื่อเป็นส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่ มันบวมมากจนแอโนดสะเก็ดและแตก ทำให้แบตเตอรี่สูญเสียความสามารถในการเก็บประจุและล้มเหลวในท้ายที่สุด

ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นกระบวนการนี้เป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำให้ซิลิคอนเป็นทางเลือกที่สามารถปรับปรุงราคา ประสิทธิภาพ และความเร็วในการชาร์จแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ตลอดจนโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป สมาร์ทวอทช์ และอุปกรณ์อื่นๆ

Chongmin Wang นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติ Pacific Northwest National Laboratory ของ Department of Energy กล่าวว่า "หลายคนจินตนาการถึงสิ่งที่อาจเกิดขึ้น แต่ไม่มีใครแสดงให้เห็นมาก่อน Wang เป็นผู้เขียนบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในNature Nanotechnology

ของซิลิกอนแอโนด ถ้วยเนยถั่ว และผู้โดยสารสายการบินที่อัดแน่น

ลิเธียมไอออนเป็นสกุลเงินของพลังงานในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเคลื่อนที่ไปมาระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้วผ่านของเหลวที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ เมื่อลิเธียมไอออนเข้าสู่ขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอน พวกมันจะเข้าไปในโครงสร้างที่เป็นระเบียบ ผลักอะตอมของซิลิกอนให้เบี้ยว เหมือนกับผู้โดยสารสายการบินอ้วนๆ ที่กำลังบีบที่นั่งตรงกลางในเที่ยวบินที่อัดแน่นไปด้วยผู้โดยสาร "การบีบลิเธียม" นี้ทำให้แอโนดบวมขึ้นถึงสามหรือสี่เท่าของขนาดเดิม

เมื่อลิเธียมไอออนออกไป สิ่งต่างๆ จะไม่กลับมาเป็นปกติ พื้นที่ว่างที่เรียกว่า vacancies ยังคงอยู่ อะตอมของซิลิกอนที่ถูกแทนที่จะเติมตำแหน่งงานว่างจำนวนมาก แต่ไม่ใช่ทั้งหมด เช่น ผู้โดยสารรีบนำพื้นที่ว่างกลับอย่างรวดเร็วเมื่อผู้โดยสารตรงกลางมุ่งหน้าไปที่ห้องน้ำ แต่ลิเธียมไอออนกลับมา ดันเข้าไปใหม่ กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำเมื่อลิเธียมไอออนเคลื่อนตัวไปมาระหว่างแอโนดและแคโทด และพื้นที่ว่างในแอโนดซิลิกอนผสานกันเพื่อสร้างช่องว่างหรือช่องว่าง ช่องว่างเหล่านี้แปลเป็นความล้มเหลวของแบตเตอรี่

นักวิทยาศาสตร์ทราบเกี่ยวกับกระบวนการนี้มาหลายปีแล้ว แต่ไม่เคยได้เห็นมาก่อนว่ากระบวนการดังกล่าวส่งผลให้แบตเตอรี่ขัดข้องได้อย่างไร บางคนมีสาเหตุมาจากการสูญเสียซิลิกอนและลิเธียม คนอื่นกล่าวโทษความหนาขององค์ประกอบหลักที่เรียกว่าอินเทอร์เฟสโซลิดอิเล็กโทรไลต์หรือ SEI SEI เป็นโครงสร้างที่ละเอียดอ่อนที่ขอบของแอโนดซึ่งเป็นเกตเวย์ที่สำคัญระหว่างแอโนดและอิเล็กโทรไลต์เหลว

ในการทดลอง ทีมงานได้เฝ้าดูตำแหน่งว่างที่เหลืออยู่โดยลิเธียมไอออนในซิลิคอนแอโนดพัฒนาเป็นช่องว่างที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้น จากนั้นพวกเขาก็เฝ้าดูอิเล็กโทรไลต์เหลวไหลเข้าไปในช่องว่างเหมือนกระแสน้ำเล็กๆ ตามแนวชายฝั่ง แทรกซึมเข้าไปในซิลิคอน การไหลเข้านี้ทำให้ SEI สามารถพัฒนาได้ในพื้นที่ภายในซิลิคอนซึ่งไม่ควรเป็น ซึ่งเป็นผู้บุกรุกระดับโมเลกุลในส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่ที่ไม่ได้เป็นของ

นั่นสร้างเขตตายทำลายความสามารถของซิลิกอนในการเก็บลิเธียมและทำลายขั้วบวก

ลองนึกถึงถ้วยเนยถั่วที่มีรูปทรงบริสุทธิ์: ช็อกโกแลตด้านนอกแตกต่างจากเนยถั่วที่ด้านในนุ่ม แต่ถ้าคุณถือมันไว้ในมือนานเกินไปโดยจับแน่นเกินไป เปลือกนอกจะนิ่มและผสมกับช็อกโกแลตนุ่มๆ ข้างใน คุณเหลือเพียงมวลที่ไม่เป็นระเบียบซึ่งโครงสร้างเปลี่ยนแปลงอย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ คุณไม่มีถ้วยเนยถั่วที่แท้จริงอีกต่อไป ในทำนองเดียวกัน หลังจากที่อิเล็กโทรไลต์และ SEI แทรกซึมเข้าไปในซิลิคอน นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่มีแอโนดที่ใช้งานได้อีกต่อไป

ทีมงานได้เห็นกระบวนการนี้เริ่มต้นทันทีหลังจากรอบแบตเตอรี่เพียงรอบเดียว หลังจาก 36 รอบ ความสามารถในการเก็บประจุของแบตเตอรี่ลดลงอย่างมาก หลังจากผ่านไป 100 รอบ แอโนดถูกทำลาย

สำรวจสัญญาของซิลิกอนแอโนด

นักวิทยาศาสตร์กำลังหาวิธีป้องกันซิลิกอนจากอิเล็กโทรไลต์ หลายกลุ่ม รวมทั้งนักวิทยาศาสตร์ที่ PNNL กำลังพัฒนาสารเคลือบที่ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่เป็นผู้รักษาประตู ซึ่งช่วยให้ลิเธียมไอออนสามารถเข้าและออกจากขั้วบวกได้ในขณะที่หยุดส่วนประกอบอื่นๆ ของอิเล็กโทรไลต์

นักวิทยาศาสตร์จากหลายสถาบันได้รวบรวมความเชี่ยวชาญเพื่อทำงานดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos ได้สร้างสายนาโนซิลิคอนที่ใช้ในการศึกษา นักวิทยาศาสตร์ PNNL ทำงานร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่ Thermo Fisher Scientific เพื่อปรับเปลี่ยนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านด้วยความเย็นเพื่อลดความเสียหายจากอิเล็กตรอนที่ใช้สำหรับการถ่ายภาพ และนักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเพนน์สเตทได้พัฒนาอัลกอริธึมเพื่อจำลองการกระทำของโมเลกุลระหว่างของเหลวกับซิลิกอน

ทีมงานใช้อิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงพิเศษของกระบวนการ และสร้างภาพใหม่ในรูปแบบ 3 มิติ คล้ายกับที่แพทย์สร้างภาพ 3 มิติของแขนขาหรืออวัยวะของผู้ป่วย

"งานนี้นำเสนอแผนงานที่ชัดเจนสำหรับการพัฒนาซิลิคอนให้เป็นแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ความจุสูง" หวางกล่าว

ที่ PNNL งานนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการวิจัยในวงกว้างที่สำรวจซิลิคอนแอโนด รวมถึงวัสดุดั้งเดิม เช่น สารเคลือบ วิธีใหม่ๆ ในการผลิตอุปกรณ์ และอิเล็กโทรไลต์ใหม่ที่ช่วยเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่สล็อตออนไลน์ 918kiss