science >> Wetenschap >  >> Chemie

Cryo-elektronenmicroscopie werpt nieuw licht op batterijen

Krediet:Kourkoutis Lab

Het grensvlak van de vaste anode en de vloeibare elektrolyt speelt een cruciale rol in de prestaties van een lithium-metaalbatterij, maar het karakteriseren van de processen die op dat kruispunt plaatsvinden, was een uitdaging.

Om het oppervlak van de anode te bestuderen, in het algemeen wordt de vloeibare elektrolyt verwijderd en wordt het oppervlak vóór analyse gewassen en gedroogd. Maar dit wassen en drogen verandert de structuur en chemie van het grensvlak fundamenteel; om een ​​nauwkeurig beeld te krijgen van de interface, het moet in zijn natuurlijke staat worden bekeken.

Onderzoekers in het lab van Lena Kourkoutis, universitair docent toegepaste en technische fysica, hebben een techniek ontwikkeld en gedemonstreerd voor directe visualisatie van vast-vloeistof-interfaces in een poging een groot probleem met Li-metaalbatterijen beter te begrijpen:dendrietgroei op de anode, die kortsluiting kunnen veroorzaken en, in extreme gevallen, catastrofale batterijstoring.

Michael Zachman, doctoraat '18, een lid van het Kourkoutis-lab, is hoofdauteur van "Cryo-STEM Mapping of Solid-Liquid Interfaces and Dendrieten in Li-Metal Batteries, " die op 16 augustus zal verschijnen in Natuur .

Belangrijke bijdragen werden geleverd door het lab van Lynden Archer, de James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Zhengyuan Tu, doctoraat '17, en Snehashi's Choudhury, doctoraat '18, beide van de Archer-groep, de prestaties van de in het onderzoek gebruikte batterijen geconstrueerd en geanalyseerd.

De door het labo van Kourkoutis ontwikkelde methode omvat het snel bevriezen van de elektrolyt op de elektrode, en een reeks cryogene microscopietechnieken om de morfologische, chemische en structurele informatie op het grensvlak vast-vloeistof. Dit werk heeft gevolgen voor systemen die veel verder gaan dan energieopslag, zeggen de onderzoekers.

"De techniek die we hebben ontwikkeld, stelt ons gewoon in staat om een ​​onvervormd beeld te hebben van wat er gaande is op deze zeer complexe interfaces, " zei Kourkoutis. "En dat is de sleutel om niet alleen die specifieke interface te begrijpen, maar ook de implicaties van de reacties of processen die plaatsvinden."

Kourkoutis zei dat dit werk werd geïnspireerd door haar ervaring in een biologielab aan het Max Planck Instituut in Duitsland, waar ze een methode genaamd cryo-FIB (focused ion beam) gebruikte om naar processen in cellen te kijken. bij Cornel, haar groep paste cryo-FIB aan voor vaste-vloeistof-interfaces en combineerde het met cryo-STEM (scanning-transmissie-elektronenmicroscopie) om toegang te krijgen tot de intacte structuur van dendrieten op nanoschaal.

Voor dit werk, knoopcelbatterijen werden geopend en de elektrode werd onmiddellijk in een cryogeen gedompeld om snel te bevriezen en de structuur te behouden. Zachman, die de monsters heeft voorbereid en de experimenten heeft uitgevoerd, ontdekte twee verschillende soorten dendrieten op het anodeoppervlak:Type I was relatief groot (ongeveer 5 micron breed) met een lage kromming; type II was honderden nanometers dik en kronkelig.

In aanvulling, de dendrieten van type I vertoonden een verlengde vaste-elektrolyt-interfase (SEI) - een zachte laag waarvan wordt gedacht dat het een voorloper is van dendrietgroei - van ongeveer 300 tot 500 nanometer dik, veel groter dan tot nu toe is waargenomen. De ontdekking van deze laag - waarvan de studie suggereert dat deze meestal verloren gaat tijdens het wassen en drogen dat nodig is in traditionele analyse - geeft aan dat er meer lithium onomkeerbaar verloren gaat aan de SEI-laag dan eerder werd gedacht.

De techniek van de groep onthulde ook dat de dendrieten van type II waren samengesteld uit lithiumhydride. "Alleen dendrieten bestaande uit lithiummetaal werden verondersteld in batterijen te zitten, "Zachman zei, "en nu zien we dat er ook lithiumhydridedendrieten aanwezig zijn, en ze zouden aanzienlijke prestatie-effecten op de batterij moeten hebben."

Archer zei dat deze ontdekkingen zouden moeten helpen om "belangrijke aanwijzingen te geven over hoe men het chemisch ontwerp van batterij-elektrolyten zou kunnen benaderen."

De samenwerking tussen de Kourkoutis- en Archer-groepen kwam voort uit een gezamenlijk voorstel om $ 2,7 miljoen van de National Science Foundation veilig te stellen om de scanning-transmissie-elektronenmicroscoop te verkrijgen die in dit onderzoek wordt gebruikt.

"Dit is een uitstekende demonstratie van de erfenis van radicale samenwerkingen die het materiaalwetenschappelijk onderzoek bij Cornell hebben bepaald, en die Cornell onderscheiden van zijn collega's als de plaats om dergelijk werk te doen, ' zei Archer.