Een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Californië in San Diego heeft de hoofdoorzaak ontdekt van het falen van lithium-metaalbatterijen - stukjes lithiummetaalafzetting breken af ​​van het oppervlak van de anode tijdens het ontladen en worden gevangen als "dood" of inactief lithium dat de batterij heeft geen toegang meer.

De vondst, gepubliceerd op 21 aug. in Natuur , daagt de conventionele overtuiging uit dat lithium-metaalbatterijen falen vanwege de groei van een laag, de vaste elektrolyt-interfase (SEI) genoemd, tussen de lithiumanode en de elektrolyt. De onderzoekers deden hun ontdekking door een techniek te ontwikkelen om de hoeveelheden inactieve lithiumsoorten op de anode te meten - een primeur op het gebied van batterijonderzoek - en hun micro- en nanostructuren te bestuderen.

De bevindingen kunnen de weg vrijmaken om oplaadbare lithium-metaalbatterijen van het laboratorium op de markt te brengen.

"Door de belangrijkste onderliggende oorzaak van het falen van lithium-metaalbatterijen te achterhalen, we kunnen rationeel nieuwe strategieën bedenken om het probleem op te lossen, " zei eerste auteur Chengcheng Fang, een materiaalkunde en engineering Ph.D. student aan UC San Diego. "Ons uiteindelijke doel is om een ​​commercieel levensvatbare lithium-metaalbatterij mogelijk te maken."

Lithium-metaalbatterijen, met anoden van lithiummetaal, zijn een essentieel onderdeel van de volgende generatie batterijtechnologieën. Ze beloven twee keer de energiedichtheid van de huidige lithium-ionbatterijen (die meestal anodes van grafiet hebben), zodat ze langer mee kunnen gaan en minder wegen. Dit zou de actieradius van elektrische voertuigen kunnen verdubbelen.

Maar een groot probleem met lithium-metaalbatterijen is de lage Coulomb-efficiëntie, wat betekent dat ze een beperkt aantal cycli ondergaan voordat ze stoppen met werken. Dat komt omdat naarmate de batterij draait, zijn voorraden actief lithium en elektrolyt raken uitgeput.

Batterijonderzoekers vermoeden al lang dat dit te wijten is aan de groei van de vaste elektrolyt interfase (SEI) laag tussen de anode en de elektrolyt. Maar hoewel onderzoekers verschillende manieren hebben ontwikkeld om de SEI-laag te controleren en te stabiliseren, ze hebben de problemen met lithium-metaalbatterijen nog steeds niet volledig opgelost, verklaarde senior auteur Y. Shirley Meng, een nano-engineering professor aan UC San Diego.

"De cellen falen nog steeds omdat er veel inactief lithium wordt gevormd in deze batterijen. Er is dus nog een ander belangrijk aspect dat over het hoofd wordt gezien, ' zei Meng.

De schuldigen, Meng, Fang en collega's vonden, zijn lithiummetaalafzettingen die van de anode afbreken wanneer de batterij wordt ontladen en vervolgens vast komen te zitten in de SEI-laag. Daar, ze verliezen hun elektrische verbinding met de anode, inactief lithium worden dat niet meer door de batterij kan worden gefietst. Dit ingesloten lithium is grotendeels verantwoordelijk voor het verlagen van de Coulomb-efficiëntie van de cel.

De ingrediënten van inactief lithium meten

De onderzoekers identificeerden de boosdoener door een methode te ontwikkelen om te meten hoeveel niet-gereageerd lithiummetaal vast komt te zitten als inactief lithium. Water wordt toegevoegd aan een afgesloten kolf die een monster van inactief lithium bevat dat zich heeft gevormd op een cyclische halve cel. Alle stukjes niet-gereageerd lithiummetaal reageren chemisch met water om waterstofgas te produceren. Door te meten hoeveel gas wordt geproduceerd, onderzoekers kunnen de hoeveelheid ingesloten lithiummetaal berekenen.

Inactief lithium bestaat ook uit een ander bestanddeel:lithiumionen, die de bouwstenen zijn van de SEI-laag. Hun hoeveelheid kan ook eenvoudig worden berekend door de hoeveelheid niet-gereageerd lithiummetaal af te trekken van de totale hoeveelheid inactief lithium.

In tests op lithium-metaalhalfcellen, onderzoekers ontdekten dat niet-gereageerd lithiummetaal het belangrijkste ingrediënt is van inactief lithium. Naarmate er meer van wordt gevormd, hoe lager de Coulomb-efficiëntie zakt. In de tussentijd, de hoeveelheid lithiumionen uit de SEI-laag blijft constant laag. Deze resultaten werden waargenomen in acht verschillende elektrolyten.

"Dit is een belangrijke bevinding omdat het aantoont dat het primaire storingsproduct van lithium-metaalbatterijen niet-gereageerd metallisch lithium is in plaats van de SEI, " zei Fang. "Dit is een betrouwbare methode om de twee componenten van inactief lithium te kwantificeren met ultrahoge nauwkeurigheid, waartoe geen enkele andere karakteriseringstool in staat is geweest."

"De agressieve chemische aard van lithiummetaal heeft deze taak zeer uitdagend gemaakt. Parasitaire reacties van veel verschillende typen vinden gelijktijdig plaats op lithiummetaal, waardoor het bijna onmogelijk is om onderscheid te maken tussen deze verschillende soorten inactief lithium, " zei Kang Xu, wiens team van het US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory een van de geavanceerde elektrolytformuleringen leverde om de methode te testen. "De geavanceerde methodologie die in dit werk is vastgesteld, biedt een zeer krachtig hulpmiddel om dit op een nauwkeurige en betrouwbare manier te doen."

De onderzoekers hopen dat hun methode de nieuwe standaard kan worden voor het evalueren van de efficiëntie van lithium-metaalbatterijen.

"Een van de problemen waarmee batterijonderzoekers worden geconfronteerd, is dat de testomstandigheden in alle laboratoria erg verschillen. dus het is moeilijk om gegevens te vergelijken. Het is appels met peren vergelijken. Met onze methode kunnen onderzoekers bepalen hoeveel inactief lithium zich vormt na elektrochemisch testen, ongeacht welk type elektrolyt of celformaat ze gebruiken, ' zei Meng.

Een nadere blik op inactief lithium

Door de micro- en nanostructuren van lithiumafzettingen in verschillende elektrolyten te bestuderen, de onderzoekers beantwoorden een andere belangrijke vraag:waarom sommige elektrolyten de efficiëntie van Coulomb verbeteren en andere niet.

Het antwoord heeft te maken met hoe lithium zich afzet op de anode wanneer de cel wordt opgeladen. Sommige elektrolyten zorgen ervoor dat lithium micro- en nanostructuren vormt die de celprestaties verbeteren. Bijvoorbeeld, in een elektrolyt dat speciaal is ontworpen door de medewerkers van Meng bij General Motors, lithiumafzettingen zo dicht, kolomvormige brokken. Dit type structuur zorgt ervoor dat tijdens de ontlading minder niet-gereageerd lithiummetaal vast komt te zitten in de SEI-laag als inactief lithium. Het resultaat is een Coulomb-efficiëntie van 96 procent voor de eerste cyclus.

"Deze uitstekende prestatie wordt toegeschreven aan de kolomvormige microstructuur die op het oppervlak van de stroomcollector is gevormd met minimale kronkeligheid, wat de structurele verbinding aanzienlijk verbetert, " zei Mei Cai, wiens team bij General Motors de geavanceerde elektrolyt ontwikkelde die lithium in staat stelde te deponeren met de "ideale" microstructuur.

In tegenstelling tot, wanneer een commerciële carbonaatelektrolyt wordt gebruikt, lithiumafzettingen met een bochtige, snorhaarachtige morfologie. Deze structuur zorgt ervoor dat er meer lithiummetaal vast komt te zitten in de SEI tijdens het stripproces. Coulombefficiëntie daalt tot 85 procent.

Vooruit gaan, het team stelt strategieën voor om de afzetting en het strippen van lithiummetaal te beheersen. Deze omvatten het uitoefenen van druk op de elektrodenstapels; het creëren van SEI-lagen die uniform en mechanisch elastisch zijn; en het gebruik van 3D-stroomafnemers.

"Beheersing van de micro- en nanostructuur is de sleutel, "Zei Meng. "We hopen dat onze inzichten nieuwe onderzoeksrichtingen zullen stimuleren om oplaadbare lithium-metaalbatterijen naar een hoger niveau te tillen."