[ad_1]
La relajación del estrés debido a las variaciones estructurales en el silicio (Si) es crucial para su aplicación en baterías de iones de litio (LIB). En un artículo publicado en el Revista de la Sociedad Electroquímicasílice mesoporosa (SiO2) las balas estaban recubiertas con siliciuro de magnesio (Mg2Si) para obtener partículas de Si nanoporosas. Las partículas de Si producidas se usaron como material de ánodo para LIB en estado sólido.
Estudio: Estabilidad de ciclo alto de compuestos nanoporosos de silicio en baterías de iones de litio de estado sólido. Crédito: Smile Fight/Shutterstock.com
En comparación con las semicélulas de Si no porosas, las contrapartes nanoporosas fabricadas mostraron una excelente ciclabilidad con una capacidad de retención de aproximadamente el 90 % a 50 ciclos en LIB de estado sólido. Además, los métodos analíticos que incluyen la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) y la microscopia electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) equipada con espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX) ayudaron a comparar las propiedades de los ánodos compuestos de Si no porosos y nanoporosos.
Los resultados confirmaron que la contracción y expansión de los poros de Si en el material del ánodo de Si nanoporoso y la deformación elástica del sulfuro de fósforo y litio (Li3caballos de fuerza4) alivia el estrés estructural causado por los cambios de volumen de los agregados de Si durante el proceso de litiación y delitiación, lo que resulta en una alta estabilidad de ciclo. Como resultado, se determinó el potencial de los ánodos basados en Si en LIB de estado sólido.
Reemplazo de LIB tradicionales con LIB de estado sólido
Los LIB son sistemas robustos de almacenamiento de energía alternativa utilizados para vehículos eléctricos. Sin embargo, debido a su capacidad específica limitada, el grafito no es un material de ánodo adecuado para satisfacer las necesidades energéticas de las tecnologías automotrices avanzadas. Aunque el Si es un material adecuado para aplicaciones automotrices, su forma de ánodo tiene poca capacidad de ciclo.
El almacenamiento y liberación de iones de litio (Li+) conducen a fluctuaciones de volumen en LIB, lo que genera desventajas electroquímicas. Con este fin, en estudios previos sobre LIB basados en electrolitos líquidos se han mencionado dos enfoques para reducir las tensiones estructurales del ánodo de Si, a saber, el nanodimensionamiento y la composición.
Por ejemplo, estudios anteriores mencionaron que, con suficiente espacio, los nanocables de Si basados en sustratos de acero inoxidable podrían soportar los cambios de volumen en las LIB. Además, las nanoesferas mesoporosas de Si con cavidades internas huecas apoyaron la expansión y contracción interna con cambios de volumen de Li+ iones
Los LIB de estado sólido incluyen un electrolito sólido en lugar de uno líquido. Una de las ventajas más importantes de los electrolitos sólidos es que nunca tienen los problemas de seguridad de los electrolitos líquidos. Los LIB de estado sólido son uno de los reemplazos más prometedores para los LIB tradicionales debido a su amplio rango de temperatura de funcionamiento, alta seguridad inherente y alta densidad de energía.
Por lo tanto, el desarrollo de LIB de estado sólido que sean seguros, flexibles, tengan un voltaje de salida estable y tengan una buena capacidad de fabricación en la atmósfera del aire es muy deseable para la tecnología de suministro de energía automotriz. Sin embargo, los estudios sobre LIB de estado sólido con ánodos de Si son más limitados que sobre LIB con electrolitos líquidos.
Compuestos nanoporosos de silicio en LIB de estado sólido
En el presente trabajo, se introdujo una técnica de nanodimensionamiento simple y económica para facilitar la expansión del volumen del ánodo de Si. Se produjeron partículas nanoporosas de Si usando Mg2Reducción de SiO basada en Si2 vapores o por oxidación atmosférica de Mg2si Las partículas de Si nanoporosas así producidas se usaron como material de ánodo, un enfoque novedoso para las LIB de estado sólido.
también li3caballos de fuerza4 Se ha utilizado electrolito sólido para fabricar ánodos compuestos en LIB de estado sólido. La optimización del tamaño de las partículas de silicio nanoporoso, la distribución de los poros y el área superficial fue crucial, ya que la microestructura del electrodo influyó en gran medida en el rendimiento de las LIB de estado sólido.
En comparación con la oxidación atmosférica de Mg2Si, se restringió el suministro de oxígeno para SiO2 en condiciones de vacío. Por lo tanto, es crucial obtener partículas de Si de mayor pureza con menos óxidos superficiales. Además, el SiO2 Las esferas tienen canales de poros bien distribuidos. Si nanoporoso, un producto de reducción de SiO2 Spheres, se desarrolló para estudiar el papel de la estructura porosa en las propiedades electroquímicas.
Se utilizaron métodos de análisis como EIS, FE-SEM-EDX para estudiar las estructuras microscópicas y el comportamiento electroquímico de ánodos compuestos de silicio nanoporoso para LIB de estado sólido. Los resultados mostraron que la estructura nanoporosa del Si atenuó el cambio de volumen de los agregados de Si en los ánodos compuestos, donde la expansión del volumen del Si fue amortiguada por la contracción de los poros a nanoescala.
Además, la tensión de la tensión de Si se alivió por la deformación elástica del electrolito sólido en LIB de estado sólido. Esta deformación del electrolito sólido volvió a su estado original y mantuvo su contacto con los agregados de Si.
Conclusión
En general, el rendimiento mejorado del ciclo de los LIB de estado sólido que utilizan partículas de Si nanoporosas proporcionó información sobre la importancia de los ánodos basados en Si en la tecnología automotriz. El presente estudio representó un paso crucial en el desarrollo de LIB de estado sólido de alto rendimiento.
A través del presente trabajo, se han logrado mejoras en la eficiencia y capacidad de Coulombic para la aplicación práctica de ánodos compuestos de Si en LIB de estado sólido. La mayor capacitancia ayuda a establecer una nueva ruta de conducción para los agregados de Si dispersos en el ánodo compuesto.
A pesar del suministro limitado de una fuente de oxígeno para SiO2El perfil de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) mostró la presencia de óxidos de Si en el interior y el exterior de las nanoesferas de Si. Esto se suprimió aumentando la eficiencia de Coulombic utilizando fresado mecánico o fotograbado al vacío.
Referencia
Okuno R, Yamamoto M, Kato A, Takahashi M (2022). Estabilidad de alto ciclo de compuestos nanoporosos de Si en baterías de iones de litio de estado sólido. Revista de la Sociedad Electroquímica. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ac81f6
[ad_2]