Gebruikt in alles, van elektrische voertuigen tot laptops, de lithiumbatterij is alomtegenwoordig, maar het wordt niet goed begrepen op atomaire schaal. Om te zien wat er op nanoschaal gebeurt, wetenschappers van DOE's Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) hebben een klein apparaat ontworpen en geïmplementeerd, bekend als een operando elektrochemische fase. Met behulp van deze fase in een ultramoderne aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscoop kunnen ze nanoschaalresolutiefoto's maken van lithiumionen terwijl ze worden afgezet op of oplossen van een elektrode terwijl de batterij werkt.

Met de nieuwe etappe wetenschappers kunnen veranderingen direct in beeld brengen wanneer ze zich voordoen. De nieuwe afbeeldingen maken nauwkeurige metingen en beschrijvingen mogelijk van wat er in de batterij gebeurt. Deze informatie is essentieel om prestatie- en veiligheidsbeperkende processen te beheersen. Nutsvoorzieningen, wetenschappers kunnen snel nieuwe combinaties van elektroden en elektrolyten visualiseren en testen (zie Batterij 101). De nieuwe fase helpt bij het snel doorzoeken van opties voor een langere, veiligere batterijen.

Het was moeilijk om verder te gaan dan de huidige industriestandaard lithium-ionbatterij. In lithium-lucht en andere ontwerpen, interacties op de elektrode-elektrolyt-interfaces beïnvloeden de prestaties en veiligheid van de batterij. Om de reacties te begrijpen, wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory, als onderdeel van JCESR, creëerde een operando elektrochemisch podium. Door het te gebruiken in een aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop, wetenschappers kunnen nu het grensvlak tussen de platinaanode en de elektrolyt chemisch in beeld brengen tijdens de werking van de batterij.

De beeldvormingsmethode benadrukt vast lithiummetaal, het uniek identificeren van de componenten die deel uitmaken van de beschermende vaste-elektrolyt interfaselaag. Met behulp van deze afbeeldingen en standaard elektrochemische gegevens, wetenschappers kunnen kwantificeren, op nanoschaal, de hoeveelheid lithium die na elke laad-/ontlaadcyclus onomkeerbaar wordt afgezet. Dit betekent dat ze dendrieten - de microscopisch kleine doornen die ervoor zorgen dat batterijen kapot gaan - kunnen zien terwijl ze zich vormen.

De techniek toont ook de groei van de vast-elektrolyt interfaselaag, die zich om de anode wikkelt en deze beschermt. De laag wordt gevormd als gevolg van het afbreken van de elektrolyt. In hun studie hebben het team ontdekte dat langdurig batterijgebruik ertoe leidt dat lithium onder de laag groeit - het ontstaan ​​​​van de dendrieten die gevolgen hebben voor de veiligheid en prestaties van de batterij.

Deze nieuwe beeldvormingstool opent mogelijkheden om snel elektrode/elektrolyt-paren voor nieuwe batterijsystemen te visualiseren en te testen. Met deze systemen kunnen elektrische auto's grote afstanden afleggen tussen ladingen. Ook, op een dag, dergelijke systemen kunnen energie van wind- en zonnestations opslaan, waardoor de intermitterende energie beschikbaar is wanneer dat nodig is.

Batterij 101

De meeste oplaadbare batterijen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn lithium-ionbatterijen, die twee elektroden hebben:een die positief geladen is en lithium bevat en een andere, negatieve die meestal van grafiet is gemaakt. Elektriciteit wordt opgewekt wanneer elektronen door een draad stromen die de twee verbindt. Om de elektronen te controleren, positief geladen lithiumatomen schuiven van de ene elektrode naar de andere via een ander pad:de elektrolytoplossing waarin de elektroden zitten. Maar grafiet heeft een lage energieopslagcapaciteit, beperking van de hoeveelheid energie die een lithium-ionbatterij kan leveren aan smartphones en elektrische voertuigen.

Toen in de jaren 70 voor het eerst oplaadbare batterijen op lithiumbasis werden ontwikkeld, onderzoekers gebruikten lithium voor de negatieve elektrode, wat ook wel een anode wordt genoemd. Er is gekozen voor lithium omdat het tien keer meer energieopslagcapaciteit heeft dan grafiet. Probleem was, de lithiumhoudende elektrolyt reageerde met de lithiumanode. Dit zorgde ervoor dat microscopisch kleine lithiumdendrieten groeiden en leidde ertoe dat de vroege batterijen faalden.

Velen hebben in de loop der jaren oplaadbare batterijen aangepast in een poging het dendrietprobleem op te lossen. In het begin van de jaren negentig, onderzoekers stapten over op andere materialen zoals grafiet voor de anode. Recenter, wetenschappers hebben de anode ook bedekt met een beschermende laag, terwijl anderen elektrolytadditieven hebben gemaakt. Sommige oplossingen elimineerden dendrieten, maar resulteerde ook in onpraktische batterijen met weinig vermogen. Andere methoden vertraagden alleen, maar stopte niet, de groei van de vezel.