Er is een oud gezegde:"Je moet eerst leren lopen voordat je leert rennen." Ondanks zoveel wijsheid, tal van industrieën slaan de basis over en melden zich in plaats daarvan aan voor marathons, inclusief de batterij-industrie.

Lithium-ionbatterijen zijn veelbelovend voor verbeterde opslagcapaciteit, maar ze zijn vluchtig. We hebben allemaal het nieuws gehoord over lithium-ionbatterijen in telefoons, met name de Samsung Galaxy 7, waardoor telefoons vlam vatten.

Een groot deel van het probleem komt voort uit het gebruik van ontvlambare vloeibare elektrolyt in de batterij. Een benadering is het gebruik van een niet-ontvlambare vaste elektrolyt samen met een lithiummetaalelektrode. Dit zou de energie van de batterij verhogen en tegelijkertijd de kans op brand verkleinen.

Eigenlijk, de bestemming is het bouwen van solid-state batterijen van de volgende generatie die niet boeien. De reis is om lithium fundamenteel te begrijpen.

"Iedereen kijkt alleen maar naar de energieopslagcomponenten van de batterij, " zegt Erik Herbert, assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de Michigan Technological University. "Er zijn maar weinig onderzoeksgroepen die geïnteresseerd zijn in het begrijpen van de mechanische elementen. we ontdekken dat de mechanische eigenschappen van lithium zelf het belangrijkste stukje van de puzzel kunnen zijn."

Onderzoekers van Michigan Tech dragen aanzienlijk bij aan het verkrijgen van een fundamenteel begrip van lithium met de resultaten die vandaag zijn gepubliceerd in een uitgenodigde serie van drie artikelen in het Journal of Materials Research, gezamenlijk gepubliceerd door de Materials Research Society en Cambridge University Press. Herbert en Stephen Hackney, hoogleraar materiaalkunde en techniek, samen met Violet Thole, een afgestudeerde student aan Michigan Tech, Nancy Dudney van het Oak Ridge National Laboratory en Sudharshan Phani van het International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials, resultaten delen die het belang van het mechanische gedrag van lithium bij het beheersen van de prestaties en veiligheid van batterijen van de volgende generatie onderstrepen.

Als een vries-dooicyclus die beton beschadigt, lithium dendrieten beschadigen batterijen

Lithium is een extreem reactief metaal, waardoor het vatbaar is voor wangedrag. Maar het is ook heel goed in het opslaan van energie. We willen dat onze telefoons (en computers, tablets en andere elektronische apparaten) om zo snel mogelijk op te laden, en dus worden batterijfabrikanten geconfronteerd met dubbele druk:maak batterijen die zeer snel opladen, zo snel mogelijk een lading tussen de kathode en de anode doorlaten, en maken de batterijen betrouwbaar ondanks herhaaldelijk opladen.

Lithium is een zeer zacht metaal, maar het gedraagt ​​zich niet zoals verwacht tijdens de werking op de batterij. Toenemende druk die onlosmakelijk optreedt tijdens het opladen en ontladen van een batterij resulteert in microscopisch kleine lithiumvingers, dendrieten genaamd, om reeds bestaande en onvermijdelijke microscopische gebreken op te vullen - groeven, poriën en krassen - op het grensvlak tussen de lithiumanode en de vaste elektrolytafscheider.

Tijdens het verder fietsen, deze dendrieten kunnen binnendringen in, en uiteindelijk door de vaste elektrolytlaag die de anode en kathode fysiek scheidt. Zodra een dendriet de kathode bereikt, het apparaat kortsluiting en uitvalt, vaak catastrofaal. Het onderzoek van Herbert en Hackney richt zich op hoe lithium de druk vermindert die van nature ontstaat tijdens het opladen en ontladen van een solid-state batterij.

Hun werk documenteert het opmerkelijke gedrag van lithium op submicron-lengteschalen - het doordringen tot de kleinste en misschien wel meest verwarrende eigenschappen van lithium. Door lithiumfilms in te drukken met een sonde met diamanten punt om het metaal te vervormen, de onderzoekers onderzoeken hoe het metaal reageert op druk. Hun resultaten bevestigen de onverwacht hoge sterkte van lithium op kleine schalen, eerder dit jaar gerapporteerd door onderzoekers van Cal Tech.

Herbert en Hackney bouwen voort op dat onderzoek door de inaugurele, mechanische verklaring van de verrassend hoge sterkte van lithium.

Het vermogen van lithium om zijn eigen atomen of ionen te diffunderen of te herschikken in een poging om de druk die wordt uitgeoefend door de indentertip te verlichten, toonden onderzoekers het belang van de snelheid waarmee lithium wordt vervormd (wat gerelateerd is aan hoe snel batterijen worden opgeladen en ontladen), evenals de effecten van defecten en afwijkingen in de opstelling van lithiumionen waaruit de anode bestaat.

Inzoomen om het gedrag van lithium te begrijpen

In het artikel "Nanoindentation of high-purity opdampen lithiumfilms:Theelastische modulus, "Onderzoekers meten de elastische eigenschappen van lithium om veranderingen in de fysieke oriëntatie van lithiumionen weer te geven. Deze resultaten benadrukken de noodzaak om de oriëntatie-afhankelijke elastische eigenschappen van lithium op te nemen in al het toekomstige simulatiewerk. Herbert en Hackney leveren ook experimenteel bewijs dat aangeeft dat lithium mogelijk een verbeterd vermogen om mechanische energie om te zetten in warmte op lengteschalen van minder dan 500 nanometer.

In het artikel dat volgt, "Nano-indentatie van hoogzuivere, door damp gedeponeerde lithiumfilms:een mechanistische rationalisatie van door diffusie gemedieerde stroming, " Herbert en Hackney documenteren de opmerkelijk hoge sterkte van lithium op lengteschalen van minder dan 500 nanometer, en ze bieden hun oorspronkelijke kader, die tot doel heeft uit te leggen hoe het vermogen van lithium om druk te beheersen wordt geregeld door diffusie en de snelheid waarmee het materiaal wordt vervormd.

Eindelijk, in "Nanoindentation of high-purity opdampen lithiumfilms:een mechanistische rationalisatie van de overgang van diffusie naar dislocatie-gemedieerde stroming, " de auteurs bieden een statistisch model dat de omstandigheden verklaart waaronder lithium een ​​abrupte overgang ondergaat die het vermogen om de druk te verlichten verder vergemakkelijkt. Ze bieden ook een model dat het mechanische gedrag van lithium rechtstreeks koppelt aan de prestaties van de batterij.

"We proberen de mechanismen te begrijpen waarmee lithium de druk verlicht op lengteschalen die evenredig zijn met grensvlakdefecten, ", zegt Herbert. Het verbeteren van ons begrip van dit fundamentele probleem zal direct de ontwikkeling mogelijk maken van een stabiele interface die veilige, fietsprestaties op lange termijn en met hoge snelheid.

Herbert zegt:"Ik hoop dat ons werk een significante impact heeft op de richting die mensen inslaan bij het ontwikkelen van next-gen opslagapparaten."