Wetenschappers hebben een hoofdoorzaak ontdekt van de groei van naaldachtige structuren - bekend als dendrieten en snorharen - die lithiumbatterijen teisteren, veroorzaakt soms kortsluiting, mislukking, of zelfs een brand.

Het team, geleid door Chongmin Wang van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, heeft aangetoond dat de aanwezigheid van bepaalde verbindingen in de elektrolyt - het vloeibare materiaal dat de kritische chemie van een batterij mogelijk maakt - de groei van dendrieten en snorharen stimuleert. Het team hoopt dat de ontdekking zal leiden tot nieuwe manieren om hun groei te voorkomen door de ingrediënten van de batterij te manipuleren. De resultaten werden online gepubliceerd op 14 oktober in Natuur Nanotechnologie .

Dendrieten zijn klein, stijve boomachtige structuren die in een lithiumbatterij kunnen groeien; hun naaldachtige uitsteeksels worden snorharen genoemd. Beide veroorzaken enorme schade; Opmerkelijk, ze kunnen een structuur doorboren die bekend staat als de separator in een batterij, net zoals onkruid door een betonnen terras of een verharde weg kan prikken. Ze verhogen ook ongewenste reacties tussen de elektrolyt en het lithium, het versnellen van het uitvallen van de batterij. Dendrieten en snorharen houden het wijdverbreide gebruik van lithium-metaalbatterijen tegen, die een hogere energiedichtheid hebben dan hun veelgebruikte lithium-ion-tegenhangers.

Het PNNL-team ontdekte dat de oorsprong van snorharen in een lithium-metaalbatterij ligt in een structuur die bekend staat als de "SEI" of vaste-elektrolyt-interfase, een film waar het vaste lithiumoppervlak van de anode de vloeibare elektrolyt ontmoet. Verder, de wetenschappers hebben een boosdoener in het groeiproces gelokaliseerd:ethyleencarbonaat, een onmisbaar oplosmiddel toegevoegd aan elektrolyt om de batterijprestaties te verbeteren.

Het blijkt dat ethyleencarbonaat de batterij kwetsbaar maakt voor beschadiging.

Snelle actie vastleggen in lithiumbatterijen

De bevindingen van het team omvatten video's die de stapsgewijze groei van een snorhaar laten zien in een lithium-metaalbatterij van nanoformaat die speciaal voor het onderzoek is ontworpen.

Een dendriet begint wanneer lithiumionen beginnen te klonteren, of "nucleëren, " op het oppervlak van de anode, het vormen van een deeltje dat de geboorte van een dendriet betekent. De structuur groeit langzaam naarmate meer en meer lithiumatomen opdoemen, groeien op dezelfde manier als een stalagmiet groeit uit de vloer van een grot. Het team ontdekte dat de energiedynamiek op het oppervlak van de SEI meer lithiumionen in de langzaam groeiende kolom duwt. Vervolgens, plotseling, een snorhaar schiet naar voren.

Het was niet gemakkelijk voor het team om de actie vast te leggen. Om dit te doen, wetenschappers integreerden een atoomkrachtmicroscoop (AFM) en een omgevingstransmissie-elektronenmicroscoop (ETEM), een zeer gewaardeerd instrument waarmee wetenschappers een werkende batterij onder reële omstandigheden kunnen bestuderen.

Het team gebruikte de AFM om de kleine kracht van de snorhaar te meten terwijl deze groeide. Net zoals een arts de handkracht van een patiënt meet door de patiënt te vragen omhoog te duwen tegen de uitgestrekte handen van de arts, het PNNL-team mat de kracht van de groeiende snorhaar door met de cantilever van de AFM op de punt te duwen en de kracht te meten die de dendriet uitoefende tijdens zijn groei.

Het recept voor elektrolyt

Het team ontdekte dat het niveau van ethyleencarbonaat direct correleert met dendriet- en snorhaargroei. Hoe meer materiaal het team in de elektrolyt stopte, hoe meer de snorharen groeiden. De wetenschappers experimenteerden met de elektrolytenmix, het veranderen van ingrediënten in een poging om dendrieten te verminderen. enkele veranderingen, zoals de toevoeging van cyclohexanon, verhinderde de groei van dendrieten en snorharen.

"We willen niet alleen de groei van dendrieten onderdrukken; we willen de oorzaak aanpakken en ze elimineren, " zei Wang, een corresponderende auteur van het papier samen met Wu Xu. "We hebben gebruik gemaakt van de expertise van onze collega's die ervaring hebben met elektrochemie. Ik hoop dat onze bevindingen de gemeenschap zullen aansporen om op nieuwe manieren naar dit probleem te kijken. Het is duidelijk dat meer onderzoek nodig."

Begrijpen waardoor snorharen beginnen en groeien, zal leiden tot nieuwe ideeën om ze te elimineren of op zijn minst te beheersen om schade te minimaliseren, voegde eerste auteur Yang He toe. Hij en het team volgden hoe snorharen reageren op een obstakel, ofwel knikken, toegevend, knikken, of stoppen. Een beter begrip zou kunnen helpen de weg vrij te maken voor het brede gebruik van lithium-metaalbatterijen in elektrische auto's, laptops, mobieltjes, en andere gebieden.