Твердовая кремниевая батарея

Сплошная кремниевая аккумулятор или кремниевая анода, все-государственный аккумулятор, представляет собой аккумулятор литий-ионного батареи, состоящую из твердого электролита , твердого катода и сплошного анода на основе кремния . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

В твердотельных кремниевых батареях ионы лития проходят через твердый электролит от положительного катода до отрицательного кремниевого анода. В то время как кремниевые аноды для литий-ионных батарей были изучены, они были в значительной степени отклонены как невозможные из-за общей несовместимости с жидкими электролитами. Разработки в 2021 году показали, что твердотельные кремниевые литий-ионные батареи возможны и предлагают многие гипотетические преимущества. ^{[ 1 ]} Сплошные электролиты легче взаимодействовать с анодом. Эти батареи отличаются от других твердотельных батарей из-за их использования кремния вместо меньших энергетических материалов. ^{[ 1 ]}

С кремнием трудно работать, потому что он расширяется более 300% во время литирования (также известный как интеркаляция лития ). Это способствует другой серьезной сложности: потеря лития из -за накопления в батарее. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}

История

Литий-ионные батареи были впервые предложены в французском патенте 1949 года. Исследования и разработки начались в 1960 -х годах. Эти батареи первоначально использовали органические жидкие электролиты, которые сталкивались с двумя основными проблемами: органические электролиты и литий -металл были нестабильны вместе, а дендриты росли во время езды на велосипеде, что может привести к коротким замыканиям. В 1980 -х годах было предложено два решения:

заменить литий некоторым другим материалом,
Используйте твердый электролит.

Исследование второго из них привело к первым аккумуляторам литий-металлов, связанных с полным государством. ^{[ 4 ]}

Лабораторный прототип твердотельной батареи кремния-анода был разработан благодаря сотрудничеству между инженерами из Калифорнийского университета, Сан-Диего и исследователями из LG Energy Solutions . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Попытки объединить твердый электролит и электрод микросиликонов достигли высокой плотности энергии, низкой ухудшением пропускной способности в сотнях циклов зарядки и более низкой температуры зарядки. ^{[ 1 ]}

Кремний против лития

Кремниевые аноды имеют теоретическую специфическую энергию 4200 мАч/г, ^{[ 2 ]} Более 10 раз больше 372 мАч/г литий-ионных батарей с графитовыми анодами. ^{[ 3 ]} Тем не менее, они разлагаются в жидких электролитах и сталкиваются с проблемами с расширением и сокращением во время переноса энергии. Попытки смягчить эти проблемы включают изменение структуры анода, жертвуя некоторой конкретной энергией для более стабильных материалов. Другие попытки смягчить проблемы с жидкими электролитами включают в себя регулировку электролита для более эффективного взаимодействия. Самая большая проблема с кремнием - это захват литий -ионов в аноде. ^{[ 1 ]} Из -за трудностей коммерческие применения были заброшены. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Дизайн

UCSD/LG Energy Solutions

Эта технология использует сульфатные твердотельные электролиты (SSE) для стабилизации и обеспечения использования 99,9% анода µSI. Это ограничивает объемные изменения кремниевого анода во время лития и роста лития. Катод - это литий -никелевый оксид марганца. Использование твердотельного электролита уменьшает контакт μsi с электролитом к плоской твердой поверхности. Это делает распространение LI -SI более обратимым. Использование неметаллического источника лития устраняет высокую температуру, которую требуют металлических литиевых батарей. ^{[ 1 ]}

Интерфейс

Чтобы обеспечить более низкую температуру зарядки и лучшее взаимодействие, аккумулятор использует μsi || sse || lithium - nickel - кобальт -манганский оксид (NCM811 - Lini _0,8 CO _0,1 мн _0,1 O ₂ ). В то время как жидкие электролитные батареи имеют трехмерный контакт между электродом и электролитом, кремний достаточно проводящий, чтобы обеспечить одну плоскость контакта. Раздел раздела SSE и электрод μSI остается одной плоскостью во время объемного изменения, вызванного интеркаляцией лития. Одна плоскость предотвращает многопользованные интерфейсы, которые в противном случае вызывают структурный сбой. ^{[ 1 ]}

Анод

Типичные литий-ионные батареи используют анод, содержащий углерод, от 20 до 40 процентов по весу для существующих кремниевых смесей. Это может быть полностью графитом или вместо этого использовать углеродные добавки. В тесте с использованием NCM811 в качестве катода у углеродного анода имел начальное плато напряжения 2,5 В. Кремниевый анод в том же тесте имел начальное плато напряжения 3,5 В. ^{[ 1 ]}

Использование анода без углерода важно, чтобы предотвратить SSE, подвергающуюся электрохимическому разложению. Углеродный анод также вызвал настройку твердой электролитной интерфазы, что нежелательно результат разложения электролита. В батареи без углерода SEI быстро стабилизировался. Хлорид лития фосфора образует менее реактивные продукты.

${\ce {Li6PS5Cl -> Li2S +Li3P + LiCl}}$

Наиболее важной проблемой с кремниевыми батареями, всесторонним государством, является снижение потери мощности в батарее с течением времени, что ограничивает его срок службы. ^{[ 1 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж Тан, Даррен Хс; Чен, Ю-Тин; Ян, Хеди; Бао, Вуригумула; Срейнараянан, Бхагат; Дукс, Жан-Мари; Ли, Вайканг; Лу, Бингью; Хэм, Со шел; Саяхпур, Бахарак; Шарф, Джонатан (2021-09-24). «Без углерода с высокой загрузкой кремниевых анодов, включенных с помощью сульфидных твердых электролитов» . Наука . 373 (6562): 1494–1499. Bibcode : 2021sci ... 373.1494T . doi : 10.1126/science.abg7217 . PMID 34554780 . S2CID 232147704 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Миядзаки, Реона (2020). «Материалы анод с высокой пропускной способностью для литийных батарей с полным государством» . Границы в области энергетических исследований . 8 : 171. doi : 10.3389/fenrg.2020.00171 . ISSN 2296-598X .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Хиггинс, Томас М.; Парк, Санг-Хун; Король, Пол Дж.; Чжан, Чуанфанг (Джон); Mcevoy, Niall; Бернер, Нина С.; Дейли, Дермот; Шмелиов, Алекси; Хан, Умар; Дюзберг, Георг; Николоси, Валерия (2016-03-08). «Коммерческий проводящий полимер как связующего и проводящую добавку для литий-ионных батареи на основе наночастиц на основе наночастиц» . ACS Nano . 10 (3): 3702–3713. doi : 10.1021/acsnano.6b00218 . HDL : 2262/77389 . ISSN 1936-0851 . PMID 26937766 .
^ Гайомард, Доминик; Tarascon, Jean-Marie (1994). «Рок-кресло или литий-ионные литийные батареи» . Продвинутые материалы . 6 (5): 408–412. doi : 10.1002/adma.19940060516 . ISSN 1521-4095 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Патрингенару, Иоана. «Новая твердотельная батарея удивляет исследователей, которые его создали» . ucsdnews.ucsd.edu . Получено 2021-10-21 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Dent, S. «Твердовые кремниевые батареи могут длиться дольше и заряжаться быстрее» . Engadget . Получено 2021-10-21 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и ^фон ^глин ^час ^я ^Дж Тан, Даррен Хс; Чен, Ю-Тин; Ян, Хеди; Бао, Вуригумула; Срейнараянан, Бхагат; Дукс, Жан-Мари; Ли, Вайканг; Лу, Бингью; Хэм, Со шел; Саяхпур, Бахарак; Шарф, Джонатан (2021-09-24). «Без углерода с высокой загрузкой кремниевых анодов, включенных с помощью сульфидных твердых электролитов» . Наука . 373 (6562): 1494–1499. Bibcode : 2021sci ... 373.1494T . doi : 10.1126/science.abg7217 . PMID 34554780 . S2CID 232147704 .

[:2-2] Jump up to: ^а ^{беременный} Миядзаки, Реона (2020). «Материалы анод с высокой пропускной способностью для литийных батарей с полным государством» . Границы в области энергетических исследований . 8 : 171. doi : 10.3389/fenrg.2020.00171 . ISSN 2296-598X .

[:3-3] Jump up to: ^а ^{беременный} Хиггинс, Томас М.; Парк, Санг-Хун; Король, Пол Дж.; Чжан, Чуанфанг (Джон); Mcevoy, Niall; Бернер, Нина С.; Дейли, Дермот; Шмелиов, Алекси; Хан, Умар; Дюзберг, Георг; Николоси, Валерия (2016-03-08). «Коммерческий проводящий полимер как связующего и проводящую добавку для литий-ионных батареи на основе наночастиц на основе наночастиц» . ACS Nano . 10 (3): 3702–3713. doi : 10.1021/acsnano.6b00218 . HDL : 2262/77389 . ISSN 1936-0851 . PMID 26937766 .

[4] Гайомард, Доминик; Tarascon, Jean-Marie (1994). «Рок-кресло или литий-ионные литийные батареи» . Продвинутые материалы . 6 (5): 408–412. doi : 10.1002/adma.19940060516 . ISSN 1521-4095 .

[:1-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Патрингенару, Иоана. «Новая твердотельная батарея удивляет исследователей, которые его создали» . ucsdnews.ucsd.edu . Получено 2021-10-21 .

[:4-6] Jump up to: ^а ^{беременный} Dent, S. «Твердовые кремниевые батареи могут длиться дольше и заряжаться быстрее» . Engadget . Получено 2021-10-21 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]