Een uitbarsting van lithium aan het uiteinde van de elektrode van een batterij, scheuren in het lichaam van de elektrode, en een laag die zich op het oppervlak van de elektrode vormt, laat zien hoe het vele malen opladen van een batterij tot zijn ondergang leidt.

Met behulp van een krachtige microscoop om meerdere cycli van opladen en ontladen te bekijken onder echte batterijomstandigheden, onderzoekers hebben inzicht gekregen in de chemie die oplaadbare lithiumbatterijen verstopt. Het werk, verschijnen in het maartnummer van het tijdschrift Nano-letters , zal onderzoekers helpen bij het ontwerpen van goedkopere en krachtigere oplaadbare batterijen met metalen die gebruikelijker en veiliger zijn dan lithium.

"Dit werk is het eerste visuele bewijs van wat leidt tot de vorming van lithiumdendrieten, nanodeeltjes en vezels die vaak worden aangetroffen in oplaadbare lithiumbatterijen die zich in de loop van de tijd ophopen en tot batterijstoringen leiden, " zei hoofdwetenschapper Nigel Browning, een natuurkundige bij het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy.

dendriet nood

Zoals iedereen met een stervende mobiele telefoon weet, het zou leuk zijn als oplaadbare batterijen meer vermogen zouden hebben, gingen langer mee en waren goedkoper. Het oplossen van deze problemen zou elektrische voertuigen en hernieuwbare energie ook aantrekkelijker kunnen maken. Het gebruik van metalen zoals magnesium of aluminium in plaats van lithium kan de levensduur en kosten van batterijen verbeteren, maar onderzoek en ontwikkeling naar niet-lithium oplaadbare batterijen blijft ver achter bij de gebruikelijke commerciële lithium-ionbatterijen.

Om de ontwikkeling van oplaadbare batterijen te versnellen, DOE financierde het Joint Centre for Energy Storage Research, een samenwerking van verschillende nationale laboratoria, universiteiten en bedrijven uit de particuliere sector. Multidisciplinaire teams van wetenschappers onderzoeken een verscheidenheid aan problemen, in de hoop ze te overwinnen door de onderliggende chemische principes te begrijpen.

Bijvoorbeeld, oplaadbare batterijen hebben last van de groei van dendrieten, microscopisch, pin-achtige vezels die batterij-elektroden aantasten. Onlangs, JCESR-onderzoekers onder leiding van PNNL ontdekten een manier om dendrieten in lithiumbatterijen te elimineren door een speciale elektrolyt te gebruiken. Om beter te begrijpen hoe dendrieten zich vormen en op microscopisch niveau kunnen worden voorkomen, een ander JCESR-team onder leiding van Nigel Browning van PNNL bedacht een microscoop die een volledig werkende batterij in actie kon onderzoeken.

In tegenstelling tot andere weergaven van de innerlijke werking van batterijen bij hoge vergroting, waarvan de meeste slechts een deel van een batterij gebruiken of deze moeten bestuderen onder druk die normaal niet in batterijen wordt gebruikt, het Browning-team creëerde een volledig functionerende batterijcel onder normale bedrijfsomstandigheden.

"Dit is heel boeiend werk, " zei eerste auteur Layla Mehdi. "We hebben een echt werkende batterij in de transmissie-elektronenmicroscoop gebouwd. Het voordeel is dat we alle chemische reacties direct in realtime kunnen observeren op het elektrolyt-elektrode-interface, zoals ze gebeuren tijdens het fietsen van de batterij."

Microscopische ch-ch-ch-opladen

Om dat te doen, het team moest transmissie-elektronenmicroscopen aanpassen aan hun behoeften. Vooral, ze moesten de schade overwinnen die was aangericht door de hoge-energiestraal van de microscoop:elektronenmicroscopen gebruiken elektronenstralen om te visualiseren wat zich in het gezichtsveld bevindt, zoals een gewone microscoop licht gebruikt. Het team bepaalde de optimale manier om de straal te laten schijnen voordat deze beschadigd raakte. Hierdoor konden de onderzoekers de kleine batterij herhaaldelijk opladen en ontladen en er zeker van zijn dat de veranderingen die ze onder de scoop zagen, te wijten waren aan de werking van de batterij en niet aan de straal zelf.

Hun experimentele batterij had een platina-elektrode en een veelgebruikte vloeibare elektrolyt van een batterij, lithiumhexafluorfosfaat in propyleencarbonaat genaamd. De taak van de positief geladen lithiumionen van de elektrolyt is om zich te verzamelen bij de platina-elektrode wanneer de batterij wordt opgeladen, waar ze de elektriciteit vasthouden totdat de batterij is verbruikt.

En de lithiumionen deden hun werk. Toen het team elektronen in de batterij pompte, de lithiumionen stroomden naar de elektrode, die plukjes haar leek te laten groeien als een Chia-huisdier uit de jaren 70.

Het ontladen van de batterij liet de plukjes leeglopen, maar niet helemaal. Verdere analyse onthulde dat de overgebleven bosjes alleen lithiummetaal konden zijn op basis van hun lage dichtheid in vergelijking met de algemeen gerapporteerde elektrolytafbraakproducten. Het verliezen van vrije lithiumionen aan deze klompjes "dood lithium" vermindert de prestaties van de batterij.

In aanvulling, ontlading van linkerscheuren op de elektrode. Meer cycli van opladen en ontladen veroorzaakten meer scheuren en accumulatie van dood lithium, sommige in de elektrolyt en sommige op het oppervlak van de elektrode.

belangrijk, de onderzoekers konden de groei meten van een bekende laag op het oppervlak van de elektrode die de prestaties verstoort. Riep de SEI voor vaste-elektrolyt interfase, deze laag wordt gevormd door interacties tussen lithium en de elektrolyt. Uiteindelijk voorkomt de SEI dat de batterij wordt opgeladen. De microscopische beeldvorming onthulde hoe snel de laag zich vormde en waar.

Hoewel deze experimenten hen leerden over lithiumgedrag, Browning zei dat hij meer opgewonden is om de technologie toe te passen om andere metaalanoden te bestuderen, metalen zoals magnesium, koper en andere die kunnen leiden tot een nieuwe generatie batterijsystemen.

"Als je je dit kunt voorstellen, " hij zei, "Waarom dagen en dagen en dagen fietsen met een batterij als je weet hoe snel de batterij vergaat? Nu kunnen we minder fietsen en doorgaan met het testen van individuele kenmerken van nieuwe batterijsamenstellingen."