Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben de eerste realtime beelden op nanoschaal vastgelegd van lithiumdendrietstructuren waarvan bekend is dat ze lithium-ionbatterijen afbreken. De elektronenmicroscopie van het ORNL-team kan onderzoekers helpen bij het aanpakken van al lang bestaande problemen met betrekking tot batterijprestaties en veiligheid.

Dendrieten vormen zich wanneer metallisch lithium wortel schiet op de anode van een batterij en lukraak begint te groeien. Als de dendrieten te groot worden, ze kunnen de scheidingswand tussen de elektroden doorboren en de cel kortsluiten, resulterend in een catastrofale batterijstoring.

De onderzoekers bestudeerden de vorming van dendrieten met behulp van een miniatuur elektrochemische cel die de vloeibare omstandigheden in een lithium-ionbatterij nabootst. Door de vloeibare cel in een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop te plaatsen en spanning op de cel aan te brengen, konden de onderzoekers zien hoe lithiumafzettingen - die beginnen als een zaadje van nanometergrootte - uitgroeiden tot dendritische structuren.

"Het geeft ons een nanoscopisch beeld van hoe dendrieten kiemen en groeien, " zei Raymond Unocic van ORNL, teamleider in situ microscopie. "We kunnen het hele proces visualiseren op een glasachtige koolstofmicro-elektrode en observeren waar de dendrieten het liefst kiemen en ook morfologische veranderingen tijdens de groei volgen." Bekijk hieronder een video van de dendrietgroei.

Naast het afbeelden van de structuren met hoge resolutie, de microscopietechniek van het team verzamelde nauwkeurige metingen van de elektrochemische prestaties van de cel. "Deze techniek stelt ons in staat om subtiele structurele en chemische veranderingen van nanoformaat te volgen die optreden en, belangrijker nog, correleren dat met de gemeten prestatie van een batterij, " zei Robert Sacci, ORNL postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de Nano Letters-studie.

Deze realtime analyse in een vloeibare omgeving onderscheidt de aanpak van het ORNL-team van andere karakteriseringsmethoden.

"Meestal, wanneer u een batterij gedurende vele laad-ontlaadcycli gebruikt, je wacht meestal tot dingen beginnen te mislukken en op dat moment voer je een analyse van de oorzaak van het falen uit, ' zei Unocic. 'Dan zie je dat er een dendriet is - maar wat dan nog? Nu we precies kunnen zien hoe de dendrieten zich vormen met onze techniek, we kunnen proactief zijn en strategieën bedenken om deze verschijnselen te remmen of te verminderen."

Het ORNL-team gelooft dat wetenschappers die experimenteren met verschillende manieren om het dendrietprobleem aan te pakken, zoals vloeibare additieven of sterkere afscheiders, zal profiteren van zijn onderzoek.

"Als je het basismechanisme niet begrijpt waarom dingen op je apparaten gebeuren, je zult altijd denken, 'Waarom is dit gebeurd en hoe los ik het op?'" zei Unocic. "Totdat je op microscopisch en nanoscopisch niveau komt om te kijken naar de structurele en chemische evolutie die in de cellen plaatsvindt - dan kun je die niet echt aanpakken problemen die zich voordoen."