محققان به بررسی نقش مهم نانوسیم سیلیکونی در توسعه باتری پرداختند تا نشان دهند که این نانوسیم‌ها می‌تواند دوام باتری‌ها را افزایش دهند.
سیلیکون جزء اصلی انقلاب دیجیتال است. در حال حاضر این ماده فراوان و ارزان در حال تبدیل شدن به گزینه جدی برای نقش بزرگی در تجارت رو به رشد صنعت باتری است. سیلیکون به این دلیل جذاب است که می‌تواند ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت در آند، انرژی ذخیره کند.
برخلاف این مزیت بزرگ سیلیکون در صنعت باتری، این ماده هنگام استفاده در باتری متورم می‌شود. آنقدر متورم می‌شود که آند پوسته پوسته شده و ترک می‌خورد و باعث می‌شود باتری توانایی نگهداری شارژ را از دست داده و در نهایت خراب شود.
به تازگی محققان آزمایشگاه ملی نورث‌وست پاسیفیک در وزارت انرژی، گامی مهم برای تبدیل سیلیکون به یک انتخاب مناسب در صنعت باتری برداشته‌اند که می‌تواند هزینه، عملکرد و سرعت شارژ باتری خودروهای برقی، تلفن‌های همراه، لپ تاپ، ساعت‌های هوشمند و سایر ابزارها را افزایش دهد. نتایج این پروژه در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده است.
یون‌های لیتیوم واحد انرژی موجود در باتری لیتیوم یونی هستند که بین دو الکترود از طریق مایعی به نام الکترولیت به این سو و آن سو حرکت می‌کنند. وقتی یون‌های لیتیوم وارد آندی ساخته شده از سیلیکون می‌شوند، وارد ساختاری منظم می‌شوند و اتم‌های سیلیکون را به سمت عقب هل می‌دهند. این «فشار لیتیوم» باعث می‌شود که آند سه یا چهار برابر اندازه اولیه خود متورم شود.
هنگامی که یون‌های لیتیوم خارج می‌شوند، همه چیز به حالت عادی باز نمی‌گردد. در آند فضاهای خالی معروف به جای خالی باقی مانده است. اتم‌های سیلیکون جابجا شده بسیاری از اماکن خالی را پر می‌کنند. اما یون‌های لیتیوم باز می‌گردند و دوباره راه خود را باز می‌کنند. این روند با حرکت یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد تکرار می‌شود و فضاهای خالی در آند سیلیکونی با هم ادغام می‌شوند و خلأ یا شکاف بزرگی ایجاد می‌کنند. این شکاف‌ها به خرابی باتری تبدیل می‌شود.
دانشمندان سال‌هاست که از این فرایند اطلاع دارند، اما قبلاً به‌طور دقیق مشاهده نکرده بودند که چگونه این امر منجر به خرابی باتری می‌شود. برخی دلیل این شکست را از دست دادن سیلیسیم و لیتیوم می‌دانند. برخی دیگر، ضخیم شدن یک جزء کلیدی معروف به اینترفاز الکترولیت جامد یا SEI را مقصر می‌دانند. SEI یک ساختار ظریف در لبه آند است که دروازه مهم بین آند و الکترولیت مایع است.
این تیم تحقیقاتی مشاهده کردند که جای خالی باقی مانده از یون‌های لیتیوم در آند سیلیکون به شکاف‌های بزرگتر تبدیل شده است. آن‌ها مشاهده کردند که چگونه الکترولیت مایع مانند شکاف‌های کوچک در امتداد خط ساحلی به شکاف‌ها وارد و در سیلیکون نفوذ می‌کند. این جریان اجازه می‌دهد تا SEI در مناطقی از سیلیکون که نباید باشد، ایجاد شود.
این امر باعث ایجاد مناطق مرده شده و توانایی سیلیکون در ذخیره لیتیوم را از بین برده و آند را خراب کرد.
این تیم شاهد این روند بود که بلافاصله پس از تنها یک چرخه باتری شروع می‌شد. پس از ۳۶ چرخه، توانایی باتری برای نگه داشتن شارژ به طرز چشمگیری کاهش یافته است. پس از ۱۰۰ چرخه، آند خراب شد. دانشمندان در حال کار روی راه‌هایی برای محافظت از سیلیکون در برابر الکترولیت هستند. چندین گروه، از جمله دانشمندان PNNL، در حال توسعه پوشش‌هایی هستند که به‌عنوان دروازه‌بان عمل می‌کنند و به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد در داخل و خارج آند حرکت کند. دانشمندان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس نانوسیم‌های سیلیکونی مورد استفاده قرار دادند. آن‌ها از میکروسکوپ الکترونی برای مطالعه نقش این نانوسیم‌های سیلیکونی در عملکرد باتری استفاده کردند. در مجموع، این تیم از الکترون‌ها برای ایجاد تصاویر با وضوح فوق‌العاده بالا از این فرایند استفاده و سپس تصاویر را به‌صورت سه‌بعدی بازسازی کرد.
وانگ می‌گوید: «این کار نقشه راه روشنی برای توسعه سیلیکون به‌عنوان آند باتری با ظرفیت بالا ارائه می‌دهد.»