Lithium-ionbatterijen groeien vaak naaldachtige structuren tussen elektroden die de batterijen kunnen kortsluiten en soms brand kunnen veroorzaken. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers heeft een manier gevonden om deze structuren te laten groeien en te observeren om manieren te begrijpen om hun verschijning te stoppen of te voorkomen.

"Het is moeilijk om de kiemvorming van zo'n snorhaar te detecteren en zijn groei te observeren omdat hij klein is, " zei Sulin Zhang, hoogleraar werktuigbouwkunde, Penn State. "De extreem hoge reactiviteit van lithium maakt het ook erg moeilijk om het bestaan ​​ervan experimenteel te onderzoeken en de eigenschappen ervan te meten."

Lithium-whiskers en dendrieten zijn naaldachtige structuren van slechts een paar honderd nanometer dik die kunnen groeien van de lithiumelektrode via vloeibare of vaste elektrolyten naar de positieve elektrode, de batterij kortsluiten en soms brand veroorzaken.

Het samenwerkende team uit China, Georgia Tech en Penn State hebben met succes lithium-whiskers gekweekt in een omgevingstransmissie-elektronenmicroscoop (ETEM) met behulp van een koolstofdioxide-atmosfeer. De reactie van kooldioxide met lithium vormt een oxidelaag die helpt de snorharen te stabiliseren.

Ze rapporteren hun resultaten deze week online in Natuur Nanotechnologie . Het artikel is "Onthulling van de groei en stressgeneratie van lithiumwhiskers door in situ ETEM-AFM."

innovatief, het team gebruikte een atomaire krachtmicroscoop (AFM)-tip als tegenelektrode en de geïntegreerde ETEM-AFM-techniek maakt gelijktijdige beeldvorming van de snorhaargroei en meting van de groeistress mogelijk. Als de groeistress te hoog is, het zou de vaste elektrolyt binnendringen en breken en de snorharen laten groeien en uiteindelijk de cel kortsluiten.

"Nu we de grens van de groeistress kennen, we kunnen de vaste elektrolyten dienovereenkomstig ontwerpen om dit te voorkomen, "Zei Zhang. Op lithium-metaal gebaseerde volledig solid-state batterijen zijn wenselijk vanwege de grotere veiligheid en hogere energiedichtheid.

Deze nieuwe techniek zal worden verwelkomd door de mechanica en elektrochemische gemeenschappen en nuttig zijn in vele andere toepassingen, zei Zhang.

De volgende stap voor het team is om naar de dendriet te kijken terwijl deze zich vormt tegen een meer realistische vastestofelektrolyt onder TEM om precies te zien wat er gebeurt.