Onderzoekers gebruiken neutronen om batterijmateriaal te bestuderen dat een veiliger alternatief zou kunnen bieden voor de ontvlambare vloeibare component die in de meeste soorten lithium-ionbatterijen wordt aangetroffen.

Rob Schmidt, een postdoctoraal onderzoeker bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, en zijn medewerkers gebruiken neutronen in de High Flux Isotope Reactor (HFIR) van het laboratorium om een ​​granaatmateriaal met een vaste kern te bestuderen als een mogelijke vervanging voor de ontvlambare vloeibare kernen die vaak in lithium-ionbatterijen worden gebruikt.

Batterijen bevatten een kernmateriaal dat bekend staat als een elektrolyt, waardoor ionen tussen de positieve en negatieve uiteinden van de cel kunnen reizen om een ​​evenwichtige lading te behouden. Echter, de meeste vloeibare elektrolyten die tegenwoordig in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, zijn ontvlambaar. Schmidt onderzoekt een vast elektrolytmateriaal voor mogelijk gebruik in de volgende generatie lithium-ionbatterijen voor meer veiligheid en betrouwbaarheid.

Het team gebruikt de hoge gevoeligheid van CG-1D voor lithium om de lithiumionenprogressie over de elektrolyt te volgen en om de omstandigheden te observeren die leiden tot de vorming van ongewenste dendrieten. dendrieten, dunne lithiummetaalfilamenten die zich in batterijcellen kunnen vormen, verslechteren de batterijprestaties door ongewenste variaties in elektrische stroomverdelingen te creëren.

"Lithium is een zacht metalen materiaal, dus een lithiumdendriet kan vrij gemakkelijk door vloeistoffen gaan, waardoor het gemakkelijk is voor batterijen om kort te sluiten, " zei Schmidt. "Lithium mag niet door een stijve gaan, keramisch materiaal zoals het granaatmateriaal dat we bestuderen, maar het doet. We willen weten waarom en hoe het dat doet."

Schmidt veronderstelde dat de eerste stap naar falen te veel ionenstroom in één gebied is, gevolgd door de vorming van dendrieten in gebieden met een grotere lithiumionstroomdichtheid. De dendriet zou een gemakkelijker pad kunnen creëren voor ionische ladingen om mee te bewegen dan de elektrolyt. Een gedeeltelijk gevormd dendriet concentreert de ionenstroom naar die gemakkelijkere weg; zodra de dendriet zich volledig vormt tussen beide elektroden, het creëert een interne elektrische kortsluiting.

"Je kunt dendrieten echt niet goed zien door met röntgenstralen te sonderen, maar met neutronen, je kunt zien waar lithium neutronen echt absorbeert, heel goed, " hij zei.

Als neutronen het team kunnen helpen beter te begrijpen hoe dendrieten ontstaan, zij kunnen mogelijk informatie verstrekken over het ontwerp van nieuwe en uiteindelijk veiligere batterijen.