Test af lithiumbatteribegrænsninger kan forbedre sikkerheden og levetiden

Forskere bruger neutroner til at studere et batterimateriale, der kunne tilbyde et sikrere alternativ til den brandfarlige væskekomponent, der findes i de fleste typer lithium-ion-batterier.

Rob Schmidt, en postdoktor ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, og hans samarbejdspartnere bruger neutroner på laboratoriets High Flux Isotope Reactor (HFIR) til at studere et granatmateriale med fast kerner som en mulig erstatning for de brandfarlige flydende kerner, der ofte bruges i lithium-ion-batterier.

Batterier indeholder et kernemateriale kendt som en elektrolyt, der tillader ioner at bevæge sig mellem cellens positive og negative ender for at opretholde en afbalanceret ladning. Imidlertid, de fleste af de flydende eletrolytter, der i dag bruges i lithium-ion-batterier, er brandfarlige. Schmidt undersøger et solidt elektrolytmateriale til potentiel brug i den næste generation af lithium-ion-batterier for øget sikkerhed og pålidelighed.

Teamet bruger CG-1Ds høje følsomhed over for lithium til at spore lithiumionens progression på tværs af elektrolytten og til at observere de forhold, der fører til dannelse af uønskede dendritter. Dendritter, tynde litiummetalfilamenter, der kan dannes inde i battericeller, forringe batteriets ydeevne ved at skabe uønskede variationer i elektriske strømfordelinger.

"Litium er et blødt metalmateriale, så en litiumdendrit er i stand til at passere væsker temmelig let, hvilket gør det let for batterier at kortslutte, "sagde Schmidt." Litium bør ikke gå igennem en stiv, keramiklignende materiale som granatmaterialet, vi studerer, men det gør det. Vi vil vide, hvorfor og hvordan det gør det. "

Schmidt antog, at det første skridt til fiasko er for meget ionstrøm i et område, efterfulgt af dannelse af dendritter i områder, der har større lithiumionstrømstæthed. Dendrit kunne skabe en lettere vej for ioniske ladninger at bevæge sig langs end elektrolytten. En delvist dannet dendrit koncentrerer ionstrømmen mod den lettere vej; når dendrit helt dannes mellem begge elektroder, det skaber en intern elektrisk kortslutning.

"Du kan virkelig ikke se dendritter godt ved at undersøge med røntgenstråler, men med neutroner, du kan se, hvor litium virkelig absorberer neutroner, rigtig godt, " han sagde.

Hvis neutroner kan hjælpe teamet med bedre at forstå, hvordan dendritter dannes, de kan muligvis informere designet om nye og i sidste ende sikrere batterier.