Lithium-ionbatterijen (LIB's) zijn een veelvoorkomend type oplaadbare batterijen. Door hun veelzijdige karakter en talrijke toepassingen in allerlei elektronische apparaten - van mobiele telefoons tot auto's - lijken ze te mooi om waar te zijn. En misschien zijn ze:onlangs, er is een toename van het aantal brandgerelateerde incidenten in verband met LIB's, vooral tijdens het opladen, ernstige bezorgdheid over hun veiligheid veroorzaken. Wetenschappers weten nu dat deze incidenten te wijten kunnen zijn aan het gebruik van een kapotte of niet-geautoriseerde oplader. Vaak, onjuist gebruik van deze laders en overladen kan leiden tot de vorming van stekelige structuren op de negatieve elektrode van de batterij, genaamd "lithium (Li) dendrieten, " die door de barrière tussen de negatieve en positieve elektroden dringen en een kortsluiting veroorzaken. kijken naar hoe dendrietvorming precies plaatsvindt, is cruciaal voor het verbeteren van de veiligheid van LIB's.

Wetenschappers van de universiteit van Okayama, onder leiding van universitair hoofddocent Kazuma Gotoh, onlangs een stap in die richting gezet, in een nieuwe studie gepubliceerd in Journal of Materials Chemistry A . Ze doken in het vinden van het precieze mechanisme van dendrietvorming in LIB's, in een poging om hun beperkingen te overwinnen en hun praktische toepassing gemakkelijker te maken. Dr. Gotoh legt uit, "We wilden de vorming van metaaldendrieten in secundaire (oplaadbare) batterijen analyseren en bijdragen aan het verbeteren van de veiligheid van batterijen."

Eerdere studies die probeerden het proces van Li-dendrietvorming te begrijpen, waren tot op zekere hoogte succesvol:ze onthulden dat wanneer de batterij in een overladen toestand is, dendrietvorming vindt plaats in de overlithiatiefase van de batterijcyclus. Maar, deze experimenten werden ex situ uitgevoerd (buiten de eigenlijke elektrochemische omgeving), en dus werd het exacte tijdstip van aanvang van dendrietvorming niet gevonden. In hun nieuwe studie Dr. Gotoh en zijn team besloten deze beperking te overwinnen. Ze dachten dat door operandomethoden (die de elektrochemische omgeving nabootsen) toe te passen op een analytische techniek die nucleaire magnetische resonantie (NMR) wordt genoemd, ze kunnen de Li-atomen in de binnenstructuur van materialen nauwkeurig volgen, wat niet mogelijk is bij het gebruik van ex situ methoden.

Met behulp van deze techniek, het team was er eerder in geslaagd om de overladen toestanden van twee soorten negatieve elektroden - grafiet- en harde koolstofelektroden - te observeren in de overlithiatiefase van een LIB. In de nieuwe studie ze brachten dit naar een hoger niveau door de toestand van deze elektroden te observeren tijdens het lithiatie- en delithiatieproces (de laad- en ontlaadcyclus van de batterij). Hun NMR-analyse hielp hen om de precieze aanvangstijd van dendrietvorming en Li-afzetting in de overladen batterij te volgen, voor zowel de grafiet- als de harde koolstofelektrode. in grafiet, ze ontdekten dat de Li-dendrieten ontstonden kort nadat de volledig gelithieerde fase van de elektrode plaatsvond. In de harde koolstofelektrode zagen ze daarentegen dat dendrieten zich pas vormen nadat quasimetallische Li-clusters in de poriën van harde koolstof voorkomen. Dus, de wetenschappers afgeleid dat wanneer de batterij overladen is, de quasimetallische Li-clustervorming fungeert als een buffer voor de vorming van Li-dendrieten in harde koolstofelektroden. Ze pasten dezelfde analyse zelfs toe op een ander type oplaadbare batterij, Natrium-ionbatterij (NIB) genoemd, en vond vergelijkbare resultaten. Dr. Gotoh legt uit, "We ontdekten dat sommige koolstofmaterialen met inwendige poriën (zoals amorfe koolstof) een buffereffect hebben voor de afzetting van Li- en Na-dendrieten tijdens het overladen van batterijen. Deze kennis zal een belangrijke rol spelen bij het waarborgen van de veiligheid van LIB's en NIB's."

Door de fijne kneepjes van de dendrietvormingsmechanismen in LIB's en NIB's te onthullen, Dr. Gotoh en zijn team geven nuttig inzicht in hun veiligheid. In feite, de wetenschappers zijn optimistisch dat hun bevindingen in de toekomst kunnen worden toegepast op andere soorten oplaadbare batterijen. Dr. Gotoh concludeert, "Onze bevindingen kunnen niet alleen worden toegepast op LIB's en NIB's, maar ook op secundaire batterijen van de volgende generatie, zoals alle solid-state batterijen. Dit is een belangrijke stap om hun praktische toepassing gemakkelijker te maken."

Met de bevindingen van deze nieuwe studie, we kunnen hopen dat we mogelijk een stap dichter bij het realiseren van onze droom van echt duurzame energiebronnen zijn.