Sfide con gli Anodi in Silicio nelle Batterie

Il silicio è visto come un candidato top per la prossima generazione di batterie agli ioni di litio, soprattutto come materiale per l'anodo. Ma ha due grossi problemi che influiscono sulla sua durata e efficienza: i Cambiamenti di volume quando assorbe e rilascia litio (litiation e delitiation) e l'Isteresi di tensione che si verifica durante questi processi. L'isteresi di tensione è una differenza di tensione durante i cicli di carica e scarica, il che riduce l'efficienza energetica e genera calore indesiderato.

#Le sfide con gli anodi di silicio

Quando il silicio è usato nelle batterie, può espandersi e contrarsi molto durante il processo di assorbimento e rilascio di litio. Questo cambiamento di volume può arrivare fino al 400%. Questi cambiamenti significativi causano crepe nelle particelle di silicio più grandi e portano a reti formate da particelle di silicio più piccole. La ricerca ha trovato che quando le particelle di silicio sono più piccole di una certa dimensione, possono evitare di creparsi.

Un'altra grande sfida è l'isteresi di tensione, che è stata vista in varie forme di silicio, comprese le pellicole sottili, i nanofili e le nanoparticelle. Questa isteresi non solo abbassa l'efficienza energetica, ma genera anche calore in eccesso quando la batteria viene caricata e scaricata.

La maggior parte dei rapporti su questa isteresi si concentra su correnti basse. Anche dopo periodi di riposo, esiste ancora una differenza di tensione ridotta ma evidente. C'è una chiara disparità tra l'isteresi di tensione osservata durante correnti basse e la tensione misurata dopo i periodi di riposo.

#Comprensione attuale dell'isteresi di tensione

Sono state proposte alcune spiegazioni per questa isteresi di tensione, soprattutto per quanto riguarda il silicio cristallino o il primo ciclo di silicio amorfo. La letteratura parla spesso del flusso plastico del silicio come motivo per l'isteresi. Nelle pellicole sottili, possono svilupparsi forti tensioni a causa della limitata espansione. Nelle particelle più grandi o ad alta corrente, il lento movimento del litio può creare gradienti di concentrazione che possono causare differenze di tensione. Tuttavia, non è ancora chiaro perché le nanoparticelle di silicio amorfo sviluppino tensioni significative durante la carica e la scarica lente.

Le particelle di silicio sono solitamente coperte da uno strato protettivo chiamato interfaccia solido-elettrolita (SEI), che funge da barriera tra il silicio e l'elettrolita circostante. La SEI cresce quando gli elettroni si muovono dal silicio all'elettrolita. Uno strato di ossido di silicio nativo tra il silicio e la SEI gioca anche un ruolo. La ricerca continua a concentrarsi sulle proprietà della SEI e su come possono essere migliorate a causa dei significativi cambiamenti di volume nel silicio.

#Il ruolo della SEI nell'isteresi di tensione

Quando il silicio si espande e si contrae, crea stress e tensione all'interno della SEI. Il comportamento della SEI è critico perché può essere rigido e fragile. Alcuni studi suggeriscono persino che la pressione esercitata dalla SEI sul silicio potrebbe aiutare a prevenire crepe. I rivestimenti di carbonio sulle particelle di silicio sembrano ridurre l'isteresi di tensione, probabilmente a causa delle diverse caratteristiche della SEI tra le strutture di carbonio e silicio.

Nella nostra esplorazione, è stato sviluppato un modello per valutare come la SEI influisca sull'isteresi di tensione durante la litiation e la delitiation delle nanoparticelle di silicio. Questo modello può imitare i modelli esistenti, ma si basa sulle proprietà uniche della SEI.

#Come funzionano i modelli

Durante i processi di carica e scarica, si stabiliscono diversi tipi di stress all'interno del silicio e della SEI. Man mano che il silicio si gonfia, la SEI risponde allungandosi elasticamente fino a non poter più sopportare stress, portando a una deformazione plastica. Questo cambiamento di forma genera stress compressivo nella SEI. Quando si passa alla scarica, la SEI torna a uno stato elastico e gli stress cambiano di nuovo.

Gli stress che influenzano la particella di silicio giocano un ruolo significativo nella definizione della sua tensione. Quando la SEI è forte, può causare una notevole differenza di tensione tra carica e scarica. Se la SEI è debole o ha Proprietà Meccaniche inferiori, l'isteresi può diminuire.

#Indagare l'isteresi

Nel nostro studio, abbiamo confrontato diversi scenari di anodi di silicio in condizioni variabili. Il primo riguardava pellicole sottili di silicio, dove espansione e contrazione creano un notevole stress. Il secondo scenario coinvolgeva particelle circondate da vincoli fissi, dove sono apparse significative differenze di tensione principalmente durante la prima litiation. Infine, esaminando particelle senza vincoli, è stato determinato che solo livelli di corrente elevati avrebbero creato abbastanza stress per produrre un'isteresi di tensione.

Le proprietà della SEI influenzano anche come si comporta il silicio durante questi processi. Alti livelli di stress indotti dalla SEI influenzano come il silicio si espande o si contrae. Diversi fattori, come la dimensione delle nanoparticelle di silicio e le proprietà della SEI, influenzano notevolmente i comportamenti di tensione osservati durante i cicli.

#Risultati dal modello

Il nostro modello mostra che man mano che la SEI subisce deformazioni, si sviluppano stress significativi all'interno del materiale. Per correnti basse, questo stress all'interno della SEI contribuisce in modo significativo allo stress complessivo visto nel silicio, il che può portare a un'isteresi di tensione evidente. Nelle simulazioni che replicavano scenari reali, abbiamo trovato che il comportamento della SEI corrispondeva strettamente ai dati sperimentali.

Il modello consente di osservare l'isteresi di tensione in diversi stati di carica. Questo è particolarmente utile perché fornisce informazioni su come i cambiamenti di stress influenzino le prestazioni complessive degli anodi di silicio.

#L'importanza delle proprietà dei materiali

Le proprietà sia della SEI che delle nanoparticelle di silicio sono cruciali. Variazioni nella rigidità della SEI, ad esempio, hanno un chiaro impatto sull'isteresi di tensione. I test hanno rivelato che SEI morbide possono aiutare a ridurre l'isteresi, mentre SEI rigide portano a discrepanze più significative nella tensione.

Comprendere i valori del modulo di Young per sia la SEI che le nanoparticelle di silicio aiuta a perfezionare le nostre previsioni e tecniche di modellazione. Lo strato interno della SEI è generalmente più rigido rispetto allo strato esterno, e questa distinzione gioca anche un ruolo nel comportamento dell'intero sistema.

#Conclusione

Le nanoparticelle di silicio hanno un grande potenziale per l'uso nelle batterie agli ioni di litio, ma affrontano anche sfide che devono essere affrontate. I cambiamenti di volume e l'isteresi di tensione durante i processi di carica e scarica sono barriere significative per la loro efficienza. Concentrandoci sulla meccanica della SEI e sulle dinamiche tra il silicio e questo strato, possiamo ottenere spunti per migliorare le prestazioni degli anodi di silicio.

La ricerca sottolinea che comprendere il comportamento visco-elastoplastico della SEI offre una via per minimizzare l'isteresi di tensione nelle nanoparticelle di silicio. In definitiva, una SEI più morbida potrebbe portare a anodi di silicio più efficienti, rendendoli ancora più praticabili per la tecnologia delle batterie future.