Nilalayon ng Pananaliksik sa Bateryang Silicon sa Timog Korea ang 1,000 km na Abot ng EV Gamit ang Gel Electrolyte

Tumutulong ang gel na mag-imbak ng mas maraming enerhiya ang silicon

Bumuo ang mga mananaliksik sa Pohang University of Science and Technology (POSTECH) sa Timog Korea ng sistema ng bateryang silicon at gel na, ayon sa unibersidad, ay naghahatid ng humigit-kumulang 40% na mas mataas na densidad ng enerhiya habang nagpapanatili ng matatag na performance. Inanunsyo noong Pebrero 2, 2024, gumagamit ang pananaliksik ng mga partikulo ng silicon na may sukat na 5 micrometre at electron beam upang matulungan ang bateryang makayanan ang paulit-ulit na paglaki at pagliit ng materyal.

Layunin ng gawaing ito na ilapit ang mga de-kuryenteng sasakyan sa kakayahang bumiyahe nang 1,000 kilometro sa isang kargahan. Inilalahad ng POSTECH ang distansiyang iyon bilang layunin ng pananaliksik. Inilalarawan sa anunsyo nito ang mga resulta mula sa isang sistema ng baterya; hindi pa tinutukoy ang demonstrasyon sa sasakyan, petsa ng komersiyal na paglulunsad at presyo.

Binuo ang pamamaraang ito ni Propesor Soojin Park, ng PhD candidate na si Minjun Je, at ni Dr. Hye Bin Son mula sa Department of Chemistry ng POSTECH. Lumabas online ang kanilang pag-aaral sa Advanced Science noong Enero 17, 2024, bago inilathala ng unibersidad ang anunsyo nito tungkol sa pananaliksik.

Ang pangunahing ideya ay gawing mas madaling gamitin ang isang materyal na may malaking kapasidad sa pag-iimbak. Mas maraming lithium ang kayang hawakan ng silicon kaysa sa graphite na karaniwang ginagamit sa mga anode ng baterya, pero malaki ang pagbabago ng laki nito habang nagkakarga. Pinagdugtong ng pangkat ng POSTECH ang mga partikulo ng silicon at isang nababanat na gel sa pamamagitan ng mga ugnayang kemikal, upang makatulong na makayanan ng estruktura ang paggalaw na ito.

Para sa mga nagmamaneho, malinaw ang pakinabang: maaaring magbigay-daan ang mas maraming enerhiyang nakaimbak sa baterya sa mas mahahabang biyahe sa pagitan ng mga paghinto para magkarga. Para naman sa mga gumagawa ng baterya, tinutugunan ng pananaliksik ang isa pang usapin: kung paano gamitin ang mga partikulo ng silicon na medyo mura nang hindi isinasakripisyo ang matatag na operasyon.

Bakit mahirap gamitin ang silicon

May kaakibat na mekanikal na problema ang pakinabang ng silicon sa pag-iimbak. Ayon sa POSTECH, lumalawak ang materyal nang mahigit tatlong ulit ng orihinal nitong laki habang nagkakarga, saka lumiliit habang nagdidiskarga ang baterya. Nagdudulot ng puwersa sa electrode at sa mga materyal sa paligid nito ang paulit-ulit na paggalaw na ito.

Isa ang anode sa dalawang electrode ng baterya. Habang nagkakarga, dumaraan ang mga ion ng lithium sa electrolyte at pumapasok sa anode, kung saan iniimbak ang enerhiya. Kabaligtaran naman ang proseso habang ginagamit ang baterya. Kailangang makadaan ang mga ion sa electrolyte habang patuloy na gumagana ang estruktura ng electrode sa paulit-ulit na mga siklo ng pagkarga.

Madalas gumamit ang mga mananaliksik ng napakaliit na partikulo ng silicon upang makatulong na mapangasiwaan ang puwersa. Inilalarawan ng POSTECH na masalimuot at magastos ang paggawa ng silicon na nanoscale ang laki. May mga pakinabang sa gastos sa produksyon at densidad ng enerhiya ang mas malalaking partikulong microscale ang laki, ngunit mas mahirap pagbigyan ang paglawak ng mga ito.

May sukat na 5 micrometre ang mga partikulo sa eksperimento ng POSTECH, o limang milyon ng isang metro. Ayon sa unibersidad, humigit-kumulang 100 ulit ang laki ng mga ito kumpara sa mga ginagamit sa tradisyonal na nanoscale na anode ng silicon. Iyan ang partikulong paghahambing na nakasaad sa opisyal na anunsyo, sa halip na ang 1,000 ulit na binanggit sa paunang paglalarawan ng pananaliksik. Ang isang micrometre mismo ay 1,000 ulit na mas mahaba kaysa sa isang nanometre.

Paano gumagana ang gel at electron beam

Pinagtambal ng pangkat ng POSTECH ang mas malalaking partikulo ng silicon at isang gel polymer electrolyte. Ang polymer ay materyal na binubuo ng mahahabang kadena ng molekula. Sa bateryang ito, nakatutulong ang nababanat na estruktura nito upang makayanan ng electrolyte ang pagbabago sa laki ng silicon habang pinadaraan ang mga ion ng lithium.

Gumamit ang mga mananaliksik ng electron beam upang bumuo ng mga covalent bond sa pagitan ng mga partikulo ng silicon at ng gel. Mga ugnayang kemikal ang covalent bond kung saan nagbabahagi ng mga electron ang mga atomo. Sa sistemang ito, nakatutulong ang mga ugnayang iyon na ipamahagi ang panloob na puwersang nalilikha habang lumalawak at lumiliit ang silicon.

Itinuturing ng pamamaraang ito na magkakaugnay na estruktura ang silicon at ang nakapaligid nitong electrolyte. Sa halip na umasa lamang sa mas maliliit na partikulo, binago ng mga mananaliksik ang paraan ng pagkakaugnay ng mga partikulo sa materyal sa paligid ng mga ito. Iniuugnay ng POSTECH sa mga ugnayang ito at sa kakayahan ng gel na pagbigyan ang paggalaw ang nagresultang katatagan ng estruktura.

Inilarawan ni Park, propesor ng kimika sa POSTECH na namumuno sa pangkat, ang resulta bilang hakbang tungo sa praktikal na paggamit ng kapasidad sa pag-iimbak ng silicon:

Gumamit kami ng micro-silicon na anode, gayunman ay nakabuo kami ng matatag na baterya. Inilalapit kami ng pananaliksik na ito sa isang tunay na sistemang lithium-ion battery na may mataas na densidad ng enerhiya.

Iniulat din ng unibersidad na kapantay ng sa mga kumbensiyonal na bateryang gumagamit ng liquid electrolyte ang ion conductivity ng gel system. Inilalarawan ng ion conductivity kung gaano kadaling gumalaw ang mga may-kargang partikulo sa isang materyal. Mahalaga ang pagpapanatili ng mahusay na paggalaw na ito dahil kailangang suportahan ng electrolyte ang daloy ng mga ion habang nagkakarga at nagbibigay ng kuryente ang baterya.

Kahulugan ng 40% na pagtaas para sa abot ng biyahe

Iniulat ng POSTECH ang tinatayang 40% na pagtaas sa densidad ng enerhiya ng sistema nito ng silicon at gel electrolyte. Inilalarawan ng densidad ng enerhiya kung gaano karaming enerhiya ang naiimbak ng baterya kaugnay ng bigat o bolyum nito. Isa sa mga paraan para makapagbitbit ng mas maraming enerhiya nang hindi katumbas na dinaragdagan ang bigat o laki ng baterya ang pagpapataas nito.

Ginagamit sa anunsyo ng unibersidad ang humigit-kumulang 700 kilometro bilang batayan ng abot ng mga de-kuryenteng sasakyan at ang 1,000 kilometro bilang distansiyang nilalayon ng mga mananaliksik. Ang pag-abot mula 700 patungong 1,000 kilometro ay magdaragdag ng 300 kilometro, o humigit-kumulang 43%.

Naipapaliwanag ng mga bilang na iyon ang pakinabang ng 40% na pagtaas sa densidad ng enerhiya. Bilang payak na halimbawa, ang pagdaragdag ng 40% sa 700 kilometro ay magbibigay ng 980 kilometro, na malapit sa nakasaad na layunin. Ipinapalagay sa kalkulasyong ito na pareho ang konsumo ng enerhiya ng sasakyan at tumataas nang kaparehong proporsiyon ang magagamit na enerhiya ng baterya.

Nakadepende rin ang aktuwal na abot ng sasakyan sa bigat, episyensiya, bilis, temperatura at disenyo ng battery pack nito. Praktikal na hamon ang maisalin ang pakinabang ng materyal sa pag-iimbak ng enerhiya tungo sa isang kumpletong baterya at pagkaraan ay sa isang sasakyan. Tinutugunan nang magkakasama ng naiulat na pagsasama ng POSTECH sa matatag na operasyon, mas malalaking partikulo ng silicon at kapantay na ion conductivity ang ilang bahagi ng hamong ito.

Isa pang pag-aaral ang tumalakay sa proteksiyon na sapin ng silicon

Naglimbag noong Pebrero 8, 2024 ang ibang pangkat ng mga mananaliksik, na kinabibilangan nina Ai-Min Li at Chunsheng Wang, ng isang pag-aaral sa Nature Communications. Gumamit din ito ng mga partikulo ng silicon na may sukat na 5 micrometre, ngunit ibang solusyon ang sinubukan: isang liquid electrolyte na idinisenyong bumuo ng proteksiyon na sapin sa ibabaw na kayang tiisin ang paggalaw ng silicon.

Ipinaliliwanag ng papel na pangunahing sanhi ng pagkawala ng kapasidad ang pagkasira ng solid electrolyte interphase, na karaniwang pinaikli bilang SEI. Isa itong manipis na proteksiyon na sapin na nabubuo sa anode. Kapag nagbitak ito, maaaring pumasok ang liquid electrolyte sa mga sirang partikulo ng silicon at muling magreaksiyon, na lumilikha ng mga bagong sapin at sumisira sa kontak na elektrikal.

Nagdisenyo si Li at mga kasamahan ng electrolyte na naglalaman ng fluoroethylene carbonate, sulfolane at TTE, isang fluorinated ether. Sinusuportahan ng pormulasyon nila ang mga cell na gumagana sa 4.3 volts at lumilikha ng proteksiyon na sapin na sagana sa lithium fluoride at lithium oxide.

Inilalarawan ng mga awtor ang sapin bilang silicon-phobic, ibig sabihin, mahina ang pagkakabigkis nito sa lithium at silicon sa ilalim. Dahil mahina ang pagkakadikit na ito, nakapagluluwang at nakapagliit ang silicon sa loob ng proteksiyon na balat nang hindi gaanong napupuwersa ang balat mismo. Sa halip, gumagamit ang pamamaraan ng POSTECH ng matitibay na ugnayang kemikal sa pagitan ng silicon at nababanat na gel upang ipamahagi ang puwersa.

Samakatuwid, tinutugunan ng dalawang pag-aaral ang parehong problema sa paggalaw ngunit sa magkaibang hangganan. Iniuugnay ng isa ang silicon sa nababaluktot na estruktura sa paligid nito; pinahihintulutan naman ng isa na gumalaw ang silicon sa loob ng proteksiyon na saping hindi gaanong mahigpit ang pagkakakabit dito.

Mga sinukat sa pagsusuri ng ikalawang pangkat

Iniulat sa pag-aaral sa Nature Communications na naghatid ang mga anode ng silicon ng kapasidad na 2,175 milliampere-hour kada gramo sa mahigit 250 siklo, na may Coulombic efficiency na 99.8%. Inilalarawan ng kapasidad kada gramo kung gaano karaming kargang elektrikal ang maiimbak ng isang takdang bigat ng materyal. Isang siklo ang isang buong pag-ikot ng pagkarga at pagdiskarga.

Inihahambing ng Coulombic efficiency ang kargang nailalabas habang nagdidiskarga sa kargang inilalagay habang nagkakarga. Sa 99.8%, humigit-kumulang 0.2% ang diperensiya sa bawat sinukat na siklo. Mahalaga ang pagpapanatiling maliit ng diperensiyang ito dahil nauubos sa paglipas ng panahon ang karga at mga materyal dahil sa paulit-ulit na di-kanais-nais na reaksiyon.

Sinubukan din ng pangkat ang isang pouch cell na may nominal na kapasidad na 100 milliampere-hour. Naghatid ito ng 172 milliampere-hour kada gramo ng materyal ng cathode sa loob ng 120 siklo, na may Coulombic efficiency na mahigit 99.9%. Nasa loob ng nababaluktot na balot ang mga bahagi ng baterya sa isang pouch cell.

Inilalarawan ng mga sukat na ito ang kapasidad ng electrode, episyensiya at performance sa paulit-ulit na siklo ng disenyo ng liquid electrolyte. Tumutukoy naman ang pangunahing resulta ng POSTECH sa tinatayang 40% na pagtaas ng densidad ng enerhiya mula sa gel system nito. Nag-aambag ang bawat pag-aaral ng magkakaibang sukat tungo sa paggamit ng mas malalaking partikulo ng silicon sa mga lithium-ion battery.

Mula sa paglalathala tungo sa produksyon

Inilalarawan ng POSTECH na simple ang proseso ng paggawa nito at handa nang gamitin. Tinutugunan ng paggamit ng mas malalaking partikulo ng silicon ang gastos at kasalimuutang kaakibat ng paggawa ng mga partikulong nanoscale ang laki, habang binubuo naman ng electron beam ang mga ugnayang kailangan para sa pinagsamang estruktura.

Tinutukoy sa anunsyo ng unibersidad ang suporta mula sa Independent Researcher Program ng National Research Foundation of Korea. Inilalagay ng pagkakasunod-sunod ng mga publikasyon ang resulta kasabay ng isa pang pagsisikap na lutasin ang problema sa paglawak ng silicon sa kaparehong panahon:

• Enero 17, 2024: Lumabas online sa Advanced Science ang pag-aaral ng pangkat ng POSTECH.
• Pebrero 2, 2024: Inanunsyo ng POSTECH ang mga resulta nito sa silicon at gel electrolyte, pati ang layuning maabot ang 1,000 kilometrong abot ng sasakyan.
• Pebrero 8, 2024: Inilathala ng Nature Communications ang hiwalay na pag-aaral sa liquid electrolyte para sa mga partikulo ng silicon na may sukat na 5 micrometre.

Iisa ang praktikal na pakinabang na tinutumbok ng dalawang proyekto: sagana ang silicon at mataas ang kapasidad nito sa pag-iimbak, samantalang nakababawas sa mga hamon sa produksyon ang mas malalaking partikulo. Mahalaga ang pagpapakayanan sa paggalaw ng silicon ng mga nakapaligid na materyal upang maging mga bateryang napapanatili ang kapaki-pakinabang na kapasidad sa paulit-ulit na paggamit ang mga pakinabang na ito.

Mahahalagang Punto

• Iniulat ng POSTECH ang humigit-kumulang 40% na mas mataas na densidad ng enerhiya mula sa pinagsamang sistema ng bateryang silicon at gel electrolyte.
• Gumamit ang mga mananaliksik ng electron beam upang bumuo ng mga ugnayang kemikal na tumutulong magpamahagi ng puwersa habang lumalawak at lumiliit ang silicon.
• Gumamit ang matatag na sistema ng mga partikulong may sukat na 5 micrometre, na inilalarawan ng POSTECH na 100 ulit na mas malaki kaysa sa tradisyonal na nanoparticle ng silicon.
• Layunin ng pananaliksik ang 1,000 kilometrong abot ng sasakyan; nakatuon ang anunsyo sa pagbuo ng baterya.
• Gumamit ang hiwalay na pag-aaral sa Nature Communications ng liquid electrolyte at proteksiyon na sapin sa ibabaw, at iniulat ang performance ng anode ng silicon sa mahigit 250 siklo.