Cấu trúc nano độc đáo tạo một bước nhảy vọt trong việc sử dụng silicon cho cực dương pin

Thiết kế cấu trúc nael cho vay sức mạnh phi thường cho một thành phần lưu trữ đầy hứa hẹn.

Vật liệu tương tự bạn sẽ tìm thấy ở đầu bút chì – than chì – từ lâu đã là thành phần chính trong pin lithium-ion ngày nay. Tuy nhiên, khi sự phụ thuộc của chúng ta vào các pin này tăng lên, các điện cực dựa trên than chì sẽ được nâng cấp. Cho rằng, các nhà khoa học đang tìm kiếm yếu tố cốt lõi của cuộc cách mạng kỹ thuật số: silicon.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đưa ra một cách mới để sử dụng thành phần lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn nhưng có vấn đề này. Silicon, được sử dụng trong chip máy tính và nhiều sản phẩm khác, rất hấp dẫn bởi vì nó có thể giữ điện tích gấp 10 lần mỗi gram so với than chì. Vấn đề là, silicon mở rộng rất nhiều khi nó gặp lithium, và nó quá yếu để có thể chịu được áp lực sản xuất điện cực.

Để giải quyết những vấn đề này, một nhóm do các nhà nghiên cứu PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang và Xiaolin Li dẫn đầu đã phát triển một cấu trúc nanô độc đáo nhằm hạn chế sự giãn nở của silicon trong khi củng cố nó bằng carbon. Công trình của họ, được công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications , có thể cung cấp các thiết kế vật liệu điện cực mới cho các loại pin khác và cuối cùng giúp tăng công suất năng lượng của pin lithium-ion trong xe điện, thiết bị điện tử và các thiết bị khác.

Loại bỏ khuyết điểm khỏi silicon

Là một dạng carbon dẫn điện và ổn định, than chì rất phù hợp để đóng gói các ion lithium vào cực dương của pin khi sạc. Silicon có thể chiếm nhiều lithium hơn than chì, nhưng nó có xu hướng tăng khoảng 300 phần trăm về thể tích, khiến cực dương bị phá vỡ. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một dạng silicon xốp bằng cách kết hợp các hạt silicon nhỏ thành các kính hiển vi có đường kính khoảng 8 micromet – gần bằng kích thước của một tế bào hồng cầu.

Ví dụ, một vật liệu rắn như đá sẽ bị vỡ nếu nó mở rộng quá nhiều về khối lượng, Zhang Zhang nói. Những gì chúng tôi tạo ra giống như bọt biển hơn, nơi có không gian bên trong để hấp thụ sự mở rộng.

Nghiên cứu cho thấy điện cực có cấu trúc silicon xốp cho thấy sự thay đổi độ dày dưới 20 phần trăm trong khi cung cấp điện tích gấp đôi điện cực của than chì điển hình, nghiên cứu cho thấy. Tuy nhiên, không giống như các phiên bản trước đây của silicon xốp, các kính hiển vi cũng thể hiện sức mạnh cơ học phi thường, nhờ các ống nano carbon làm cho các quả cầu giống như những quả bóng sợi.

Kính hiển vi siêu mạnh

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra cấu trúc này theo nhiều bước, bắt đầu bằng cách phủ các ống nano carbon bằng oxit silic. Tiếp theo, các ống nano được đưa vào một nhũ tương của dầu và nước. Sau đó chúng được đun nóng đến sôi.

Li Các ống nano carbon tráng ngưng tụ thành hình cầu khi nước bay hơi, Li nói. Sau đó, chúng tôi đã sử dụng nhôm và nhiệt cao hơn để chuyển đổi oxit silic thành silic, sau đó ngâm trong nước và axit để loại bỏ các sản phẩm phụ. Thứ nổi lên từ quá trình này là một loại bột bao gồm các hạt silicon nhỏ trên bề mặt ống nano carbon.

Sức mạnh của các quả cầu silicon xốp đã được kiểm tra bằng đầu dò của kính hiển vi lực nguyên tử. Các tác giả nhận thấy rằng một trong những quả bóng sợi nano có thể mang lại một chút và mất độ xốp dưới lực nén rất cao, nhưng nó sẽ không bị vỡ.

Điều này rất tốt cho thương mại hóa, bởi vì vật liệu anode phải có khả năng xử lý độ nén cao trong các con lăn trong quá trình sản xuất. Bước tiếp theo, Zhang nói, là phát triển các phương pháp có thể mở rộng và kinh tế hơn để chế tạo các kính hiển vi silicon để một ngày nào đó chúng có thể đi vào thế hệ pin lithium-ion hiệu suất cao tiếp theo.

Theo Scitechdaily