De vorming van lithiumdendrieten is nog steeds een mysterie, maar materiaalingenieurs bestuderen de omstandigheden die dendrieten mogelijk maken en hoe ze te stoppen.

historisch, zoals in decennia geleden, oplaadbare lithium-metaalbatterijen waren gevaarlijk. Deze batterijen werden snel verlaten ten gunste van Li-ion-batterijen die geen metallisch lithium bevatten en nu veel worden gebruikt. In pogingen om de energiedichtheid te blijven verhogen en de kosten te verlagen, we onderzoeken opnieuw hoe we lithiummetaal in batterijen efficiënt en veilig kunnen gebruiken. Solid-state batterijen, vrij van brandbare vloeistoffen, kan de oplossing zijn. Echter, de vooruitgang is vertraagd omdat lithiummetaal nog steeds een manier vindt om de batterij te kortsluiten en de levensduur te beperken.

Solid-state lithiumbatterijen zijn de heilige graal van energieopslag. Met mogelijke gevolgen voor alles, van persoonlijke mobiele apparaten tot industriële hernieuwbare energie, de moeilijkheden zijn het waard om te overwinnen. Het doel:een veilige lithiumbatterij bouwen met een lange levensduur. De uitdaging:gebruik een elektrolyt in vaste toestand en stop kortsluiting door de vorming en groei van lithiumdendrieten.

In een nieuwe uitgenodigde feature paper gepubliceerd in de Tijdschrift voor materiaalonderzoek , materiaalingenieurs van de Michigan Technological University buigen zich over het probleem. Hun mening is ongebruikelijk. Ze richten zich op de unieke mechanica van lithium met afmetingen die een fractie zijn van de diameter van het haar op je hoofd - veel kleinere schalen dan de meeste anderen beschouwen.

"Mensen denken dat lithium zo zacht is als boter, dus hoe kan het de kracht hebben om door een keramische vaste elektrolytafscheider te dringen?" vroeg Erik Herbert, assistent-professor materiaalwetenschap en -techniek bij Michigan Tech en een van de leiders van het onderzoek. Hij zegt dat het antwoord niet intuïtief is - kleiner is sterker. Kleine fysieke defecten zoals microscheurtjes, poriën of oppervlakteruwheid bestaan ​​onvermijdelijk op het grensvlak tussen een lithiumanode en een vaste elektrolytafscheider. Inzoomen op de mechanica van lithiummetaal op lengteschalen die overeenkomen met die kleine interface-defecten, het blijkt dat lithium veel sterker is dan op macroscopische of bulklengteschalen.

"Lithium houdt net zomin van stress als jij of ik van stress, dus het is gewoon proberen uit te vinden hoe de druk weg te gaan, "Zei Herbert. "Wat we zeggen is dat op kleine lengteschalen, waar het lithium waarschijnlijk geen toegang heeft tot het normale mechanisme dat het zou gebruiken om de druk te verlichten, het is afhankelijk van andere, minder efficiënte methoden om de stress te verlichten."

In elk kristallijn metaal zoals lithium, Defecten op atomair niveau, dislocaties genaamd, zijn nodig om aanzienlijke hoeveelheden stress te verlichten. Op macroscopische of bulklengteschalen, dislocaties verwijderen stress efficiënt omdat ze aangrenzende atomen van atomen gemakkelijk langs elkaar laten glijden als een pak kaarten. Echter, bij kleine lengteschalen en hoge temperaturen ten opzichte van het smeltpunt van het metaal, de kans op het vinden van dislocaties binnen het gestresste volume is erg laag. Onder deze voorwaarden, het metaal moet een andere manier vinden om de druk te verlichten. Voor lithium, dat betekent overschakelen op diffusie. De stress duwt lithiumatomen weg van het gestresste volume - vergelijkbaar met meeslepen op een loopbrug van een atoomluchthaven. Vergeleken met dislocatiebeweging, diffusie is zeer inefficiënt. Dat betekent op kleine lengteschalen, waar diffusie spanningsverlichting regelt in plaats van dislocatiebeweging, lithium kan meer dan 100 keer meer stress of druk verdragen dan op macroscopische lengteschalen.

Er kunnen catastrofale problemen optreden in wat Herbert en zijn co-lead, MTU-professor Stephen Hackney, bel de defecte gevarenzone. De zone is een venster met fysieke defectafmetingen gedefinieerd door de spanningsontlastingsconcurrentie tussen diffusie- en dislocatiebeweging. Het worstcasescenario is een fysiek interfacedefect (een microscheur, porie- of oppervlakteruwheid) die te groot is voor efficiënte spanningsvermindering door diffusie, maar te klein om spanningsvermindering door dislocatiebeweging mogelijk te maken. In dit omgekeerde Goudlokje-probleem, hoge spanningen in het lithium kunnen ervoor zorgen dat de vaste elektrolyt en de hele batterij catastrofaal falen. interessant, de grootte van de gevarenzone is even groot als de waargenomen lithiumdendrieten.

"De zeer dunne elektrolyten in vaste toestand en de hoge stroomdichtheid die nodig zijn om de batterij van stroom te voorzien en de korte oplaadtijden die consumenten verwachten, zijn omstandigheden die het falen van lithiumdendrieten bevorderen. dus het dendrietprobleem moet worden opgelost om de technologie vooruit te helpen, Hackney zei. "Maar om de solid-state technologie levensvatbaar te maken, het vermogen en de beperkingen van de levensduur moeten worden aangepakt. Natuurlijk, de eerste stap bij het oplossen van het probleem is het begrijpen van de oorzaak, dat is wat we proberen te doen met dit huidige werk."

Hackney wijst erop dat het concept 'kleiner is sterker' niet nieuw is. Materiaalingenieurs hebben sinds de jaren vijftig het effect van de lengteschaal op mechanisch gedrag bestudeerd. hoewel het niet op grote schaal is gebruikt bij het beschouwen van het probleem van lithiumdendriet en vaste elektrolyten.

"We denken dat dit 'kleiner is sterker'-paradigma direct van toepassing is op de waargenomen lithiumdendrietgrootte, en wordt bevestigd door onze experimenten op zeer schone, dikke Li-films met reksnelheden die relevant zijn voor het begin van de dendrietinstabiliteit tijdens het opladen, ' zei Hackney.

Om hun hypothese grondig te onderzoeken, Herbert en Hackney voeren nano-indentatie-experimenten uit in lithiumfilms van hoge zuiverheid die zijn geproduceerd door een topbatterijonderzoeker, Nancy Dudney van het Oak Ridge National Laboratory.

"De bulkeigenschappen van lithiummetaal zijn goed gekarakteriseerd, maar dit is misschien niet relevant op de schaal van defecten en inhomogene stroomverdelingen die waarschijnlijk werken in zeer dunne solid-state batterijen, " Zei Dudney. "Het model dat in dit document wordt gepresenteerd, is het eerste dat de omstandigheden in kaart brengt waarbij het veel sterkere lithium de prestaties van de levensduur zal beïnvloeden. Dit zal leidend zijn voor toekomstig onderzoek naar vaste elektrolyten en batterijontwerpen."

Een van de volgende stappen van het team, ze zijn van plan om de effecten van temperatuur en elektrochemische cycli op het mechanische gedrag van lithium op kleine lengteschalen te onderzoeken. Dit zal hen helpen de omstandigheden en strategieën in de praktijk beter te begrijpen om batterijen van de volgende generatie immuun te maken voor de vorming en groei van lithiumdendrieten.