Temperatur helbreder lithiumdendritter

Genopladeligt lithium-ion, den dominerende batteriteknologi til bærbar elektronik, bliver i stigende grad det foretrukne batteri til el-køretøjer og el-net energilagring applikationer.

I et lithium-ion batteri, katoden (positiv elektrode) er et lithiummetaloxid, mens anoden (negativ elektrode) er grafit. Men forskere leder efter måder at erstatte grafit med lithiummetal som anode for at øge batteriets energitæthed.

Da pakningstætheden af ​​lithiumatomer er den højeste i sin metalliske form, batterier, der bruger metalliske lithiumanoder, kan pakke mere energi pr. vægt eller volumen end grafitbaserede anoder. Imidlertid, lithiummetalanoder er plaget af "dendrit"-opbygning, der finder sted over gentagne cyklusser med opladning og afladning.

Dendritter er grenlignende fremspring, der kommer ud af lithiummetaloverfladen. Tit, de bliver lange nok til at skabe en kortslutning mellem elektroderne, fører til brandfare.

Men nu har et team af forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer) opdaget en måde at bruge intern batterivarme til at sprede dendritterne til et glat lag. Forskerne rapporterede deres resultater i denne uge Videnskab .

"Vi har fundet ud af, at lithiummetaldendritter kan heles in situ ved selvopvarmning af de dendritiske partikler, " sagde Nikhil Koratkar, John A. Clark og Edward T. Crossan professor i ingeniørvidenskab ved Rensselaer og tilsvarende forfatter til papiret.

Arbejder omkring dendrit-problemet

En batterienhed består af to elektroder - katoden og anoden. Mellem elektroderne er der placeret en isolerende membran, der fungerer som en separator for at forhindre elektroderne i at røre hinanden og kortslutte batteriet. Separatoren er mættet med en flydende elektrolyt, som tillader ioner (ladede atomer) at pendle frem og tilbage mellem elektroderne.

Kemiske reaktioner producerer elektricitet, når positivt ladede lithiumioner fra anoden transporteres til katoden ved afladning. Når batteriet sættes i en stikkontakt for at genoplade, det omvendte sker:lithium-ionerne strømmer fra katoden tilbage til anoden.

I et batteri med en lithiummetalanode, gentagne cyklusser med afladning og genopladning forårsager opbygning af dendrit på anodens overflade. Denne tornede opbygning kan til sidst trænge ind i separatoren og røre katoden. Når dette sker, der finder en kortslutning sted, der gør et batteri ude af drift, eller værre, forårsager brand.

Industrien har undgået lithiumdendritproblemet ved at bruge kulstof (typisk grafit) anoder. I denne tilgang, lithium-ioner diffunderer ind i og lagres i kulstofmatrixen, som isolerer hvert lithiumatom, forhindrer således dendritopbygning. Typisk, et lithiumatom er lagret for hver seks kulstofatomer, med det overskydende kulstofmateriale, der tjener lidt mere end dødvægt.

"Lithium-ion-batterier med carbonbaserede anoder er den bedste tilgængelige løsning, men de kan ikke længere følge med efterspørgslen efter lagerkapacitet, " sagde Koratkar. "For alle væsentlige nye forbedringer, vi må se andre steder. Den bedste mulighed ville være et lithiummetalsystem."

Selvopvarmningsteknik kunne være en game changer

Rensselaer-forskernes foreslåede løsning udnytter batteriets interne resistive opvarmning for at eliminere dendrit-opbygningen. Resistiv opvarmning (også kendt som Joule-opvarmning) er en proces, hvor et metallisk materiale modstår strømmen og, som resultat, producerer varme. Denne "selvopvarmning" sker gennem op- og afladningsprocessen.

Forskerne øgede selvopvarmningseffekten ved at øge batteriets strømtæthed (opladnings-afladningshastighed). Processen udløste omfattende overfladediffusion af lithium, sprede dendritterne i et jævnt lag.

Forskere demonstrerede først denne udjævning (helbredelse) af dendritterne i en litium-litium symmetrisk celle. De viste derefter processen med de samme resultater i en proof-of-concept demonstration ved hjælp af et lithium-svovl-batteri.

Dendritheling vil blive udført af batteristyringssystemsoftware, som ville give doser af "selvhelbredende" behandling ved at køre nogle få cyklusser med høj op- og afladningshastighed, når en elektronisk enhed ikke er i brug.

"En begrænset mængde cyklusser ved høj strømtæthed ville forekomme for at helbrede dendritterne, og derefter kan normal drift genoptages, " sagde Koratkar. "Selvhelbredelse ville forekomme som en vedligeholdelsesstrategi, længe før dendritterne bliver en sikkerhedsrisiko."

"Energilagring med høj densitet er fortsat en kritisk hindring mellem høst af vedvarende energi og dens udbredte anvendelse i alt fra elektriske køretøjer til soldrevne hjem, " sagde dekan for ingeniørvidenskab Shekhar Garde. "Resultater fra prof. Koratkars laboratorium viser, hvordan den grundlæggende forståelse af materialer på nanoskala kan bruges til ikke kun at øge batteriernes energitæthed, men også øge deres liv og gøre dem mere sikre."