Collaborative Research: Manufacturing Mechanically Compliant Silicon Nanostructures for Rechargeable Lithium Ion Batteries
合作研究:制造用于可充电锂离子电池的机械兼容硅纳米结构
基本信息
- 批准号:1067960
- 负责人:
- 金额:$ 25.94万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2011
- 资助国家:美国
- 起止时间:2011-09-01 至 2015-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This research project aims at investigating and demonstrating a new concept of manufacturing silicon (Si) anode lithium (Li) ion batteries by utilizing Si nanostructures on elastomeric substrates as anodes to release the stress induced by Li ion diffusion during charge-discharge cycles. Si anodes hold great promise and are being closely investigated for use in Li-ion batteries because they have the highest-known theoretical charge capacity. However, the development of Si-anode Li-ion batteries has lagged behind because of their large physical volume change (4X) during use, specifically during the insertion and extraction of Li ions, which results in pulverization and early capacity fading thus severely limiting their useful life. The objective of this collaborative project is to resolve the stress issue and manufacture Si-anode Li-ion batteries through a fundamental investigation of a novel concept of mechanical-electrochemical coupling of Si nanostructures on elastomeric substrates during insertion and de-insertion of Li ions. Specific studies will focus on (1) a theoretical understanding of releasing diffusion-induced stress using elastomeric substrates; (2) manufacturing of various Si nanostructures on elastomeric substrates as anodes in Li-ion batteries, (3) electrochemical characterization of Li-ion batteries with the nanostructured Si on elastomeric substrates as anode; and (4) development of a cost-effective approach and the realization of manufacturability. If successful, the results of this collaborative research will facilitate the fundamental understanding in the coupled mechanical-electrochemical properties of Si nanostructures on elastomeric substrates and provide a powerful means to realize theoretically maximum energy density of Si-anode Li-ion batteries. Integrated, interactive and collaborative research and educational programs in two research institutions (University of Delaware and Arizona State University) will be established. The graduate and undergraduate students involved in the proposed research will be trained through a multidisciplinary and multi-university environment. The research achievement will be used to develop and enhance both undergraduate and graduate courses. An innovative outreach activity toward the general public will be established through the collaboration with the Arizona Science Center.
该研究项目旨在调查和证明制造硅(SI)阳极锂(Li)离子电池的新概念,通过利用弹性底物上的Si纳米结构作为阳极作为阳极释放电荷分离循环中Li离子扩散引起的应力的阳极。 Si Anodes拥有巨大的希望,并正在对锂离子电池进行密切研究,因为它们具有最高的理论电荷能力。然而,由于使用过程中的物理体积变化很大,特别是在插入和提取李离子期间,Si-Anode Li-ion电池的开发落后于其较大的物理体积变化(4倍),这导致粉碎和早期容量褪色,从而严重限制了它们的使用寿命。该协作项目的目的是通过对SI纳米结构对弹性体基材上的机械电气化学耦合的基本研究来解决压力问题并制造Si-Anode Li-ion电池。具体的研究将重点放在(1)使用弹性体底物对扩散诱导的应激的理论理解; (2)弹性底物上的各种SI纳米结构作为锂离子电池中的阳极,(3)用弹性底物上的纳米结构的SI作为阳极上的纳米结构的SI作为阳极的电化学表征; (4)开发一种具有成本效益的方法和可制造性的实现。如果成功的话,这项协作研究的结果将有助于Si纳米结构在弹性底物上的机械电气化学特性中的基本理解,并提供有力的手段,以实现Si-Anode Li-ion电池的理论上最大的能量密度。将在两家研究机构(特拉华大学和亚利桑那州立大学)中建立综合,互动和协作研究和教育计划。参与拟议研究的研究生和本科生将通过多学科和多元大学的环境进行培训。研究成就将用于发展和增强本科和研究生课程。通过与亚利桑那州科学中心的合作,将建立对公众的创新外展活动。
项目成果
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