Oplaadbare lithiumbatterijen (Li) zijn tegenwoordig de meest gebruikte energieopslagapparaten in consumentenelektronica en elektrische voertuigen. Er zijn uitdagingen, Hoewel, hun capaciteit te optimaliseren, recycleerbaarheid, en stabiliteit. Tijdens de laad-ontlaadcycli van een Li-batterij, sterk gelokaliseerde Li-dendrieten - strengen Li die in batterijen groeien - kunnen de prestaties van de batterij vormen en schaden.

"Lithiumdendrieten zijn fijne strengen, zoals snorharen, die in contact kunnen komen met kathodematerialen en een keten van onomkeerbare, spontane chemische reacties, " zei Yingge Du, een onderzoeker van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) die onlangs een onderzoek leidde om dit fenomeen te visualiseren. "Het kan leiden tot prestatieverlies, kortsluiting, en veiligheidsrisico's, " hij voegde toe.

Du en zijn team probeerden het exacte faalmechanisme te achterhalen. Om dit te doen, ze moesten precies bepalen hoe en wanneer de Li-dendrieten in contact kwamen met de kathodematerialen. Het team gebruikte in situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om de structurele en chemische evoluties van lithiumkobaltoxide (LiCoO) direct in beeld te brengen. ₂ ) dunne film kathoden op Li-dendrietcontact. "LiCoO ₂ is nog steeds een van de meest gebruikte kathodematerialen, " zei Du, "en het in een goed gedefinieerde enkelkristallijne vorm maken door gepulseerde laserdepositie kan de kracht van geavanceerde elektronenmicroscopie ontketenen." Met behulp van deze aanpak, onderzoekers ontdekten een onverwachte Li-voortplantingsroute en gedetailleerde reactiestappen die leidden tot het falen van de kathode.

hun studie, "Directe visualisatie van Li-dendriet-effect op LiCoO" ₂ Kathode door In Situ TEM, " is onlangs gepubliceerd in Klein en staat op de omslag.

Om te voldoen aan de toenemende vraag naar grootschalige energieopslagapparaten, er is een dringende behoefte aan onderzoekers om veiligere, oplaadbare batterijen met een hogere energie-output. Li-metaal werd beschouwd als een ideaal, anodemateriaal met hoge capaciteit. Echter, het gebruik ervan wordt sterk belemmerd door de vorming van Li-dendrieten die de separator kunnen binnendringen - een permeabel membraan dat tussen de anode en de kathode van een batterij wordt geplaatst. Zodra Li-dendrieten in direct contact komen met kathodematerialen, een keten van onomkeerbare, spontane chemische reacties kunnen optreden, wat leidt tot prestatieverlies, kortsluiting, en veiligheidsrisico's.

Hoewel er aanzienlijke inspanningen zijn geleverd om op te sporen, begrijpen, en de vorming van Li-dendriet in de elektrolyten te voorkomen, er is weinig bekend over de gedetailleerde reactieroutes met Li-metaal en kathodematerialen. Het overbruggen van deze kenniskloof kan detectie- en ontwerpprincipes opleveren die cruciaal zijn voor toekomstige oplossingen voor energieopslag.

In dit onderzoek, Du en zijn team van onderzoekers bij PNNL bestudeerden Li-dendrieten en hun effect op kathodematerialen. Ze probeerden de gedetailleerde reactieroutes te begrijpen, wat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van betere Li-batterijen.

Met behulp van gepulseerde laserdepositie, Du en zijn team fabriceerden goed gedefinieerde, epitaxiale LiCoO ₂ dunne films met gecontroleerde kristallografische oriëntaties om als modelkathodematerialen te dienen. Een Li-metalen punt werd gebruikt om de Li-dendriet in een TEM na te bootsen om zijn reactie met bereid LiCoO te bestuderen ₂ monsters.

Geavanceerde microscopie- en spectroscopietechnieken – inclusief scanning-transmissie-elektronenspectroscopie, nanostraaldiffractie, en elektron-energieverliesspectroscopie - maakten het mogelijk dergelijke reacties te onderzoeken met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. In combinatie met dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen, onderzoekers lichtten de reactiestappen toe, tussenproducten, en eindproducten op een ongekend niveau. Een onverwachte Li-diffusierichting loodrecht op de Li-bevattende vlakken werd gevonden, die de LiCoO . scheurde ₂ kristal uit elkaar, het genereren van grote hoeveelheden korrelgrenzen en tegenfasegrenzen. Terwijl Co-metaal en Li2O de eindproducten bleken te zijn van de volledige conversiereactie, CoO werd geïdentificeerd als een metastabiel tussenproduct aan het reactiefront als gevolg van een gemakkelijke faseovergang van LiCoO ₂ .

"De onthulde reactiestappen en tussenproducten bieden een duidelijk faalmechanisme voor de LiCoO ₂ kathoden veroorzaakt door Li-dendrieten, en kan ook inzicht bieden in de overontladingsprocessen in kathoden, " merkte Du op.

Voortzetting van dit werk, Het team van Du is van plan om volledig solid-state batterijen te fabriceren door meerstaps depositieprocessen met behulp van gepulseerde laserdepositie om de ionentransportprocessen over de goed gedefinieerde interfaces beter te begrijpen.