Onderzoekers van het Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) visualiseerden de vorming van een vaste elektrolyt-interfase op koolstofhoudende elektrodematerialen van batterijkwaliteit met behulp van in-situ atomic force microscopie (AFM). Dit zal onderzoekers helpen bij het ontwerpen en bouwen van batterijen met hogere prestaties en duurzaamheid.

Een vaste elektrolyt-interfase (SEI) is een dunne laag elektrolytreductieproducten die tijdens verschillende initiële cycli op het oppervlak van een lithium-ionbatterijanode wordt gevormd. Het voorkomt verdere afbraak van elektrolyten, stabiliseren van de elektrode/elektrolyt-interface, en zorgt voor een lange batterijduur. Het vormen van een SEI-film kost tijd en energie, en de kwaliteit ervan bepaalt grotendeels de prestaties en duurzaamheid van de batterij:een slecht gevormde SEI resulteert in een snelle verslechtering van de batterijprestaties.

Nog altijd, de vorming van SEI blijft slecht begrepen, en wetenschappers gebruiken in situ atomaire krachtmicroscopie die directe observatie van dit proces mogelijk maakt. Tot nu, de meeste van deze metingen werden uitgevoerd op hoog georiënteerd pyrolytisch grafiet (HOPG), een zeer zuivere en geordende vorm van grafiet met een schoon en atomair vlak grondvlak. Echter, HOPG is een slechte vervanging voor elektrodematerialen van batterijkwaliteit, dus het proces verschilt aanzienlijk van wat er gebeurt in een commerciële batterij.

Een Skoltech-team onder leiding van onderzoekswetenschapper Sergey Luchkin en professor Keith Stevenson slaagde erin de SEI-vorming te visualiseren op materialen van batterijkwaliteit. Voor deze, ze moesten een elektrochemische cel ontwerpen die de metingen mogelijk maakte die nodig waren voor deze directe observatie van SEI-vorming.

"Materialen van batterijkwaliteit zijn poeders, en het visualiseren van dynamische processen op hun oppervlak door AFM, vooral in een vloeibare omgeving, is uitdagend. Een standaard batterij-elektrode is te ruw voor dergelijke metingen, en geïsoleerde deeltjes hebben de neiging om tijdens het scannen los te komen van het substraat. Om dit probleem op te lossen, we hebben de deeltjes in epoxyhars ingebed en een dwarsdoorsnede gemaakt, zodat de deeltjes stevig vast zaten in het substraat, ' zegt Luchkin.

De onderzoekers ontdekten dat de SEI op materialen van batterijkwaliteit een ander potentieel hebben dan die op HOPG. Het was ook meer dan twee keer dikker en mechanisch sterker. Eindelijk, ze konden aantonen dat SEI beter gebonden was aan het ruwe oppervlak van grafiet van batterijkwaliteit dan met het platte oppervlak van HOPG.

"Ruimtelijk opgeloste onderzoeken van batterij-interfaces en interfasen die in dit werk worden beschreven, bieden belangrijke nieuwe inzichten in de structuur en evolutie van de anode SEI. Daarom, ze bieden duidelijke richtlijnen voor een rationeel elektrolytontwerp om hoogwaardige batterijen met verbeterde veiligheid mogelijk te maken, ", voegt Stevenson toe.