Bedre, hurtigere, stærkere:Byg batterier, der ikke går i spænd

Der er et gammelt ordsprog:"Du skal lære at gå, før du lærer at løbe." På trods af sådan visdom, adskillige industrier springer det grundlæggende over og tilmelder dig maraton i stedet, herunder batteriindustrien.

Lithium-ion-batterier har et utroligt løfte om forbedret lagerkapacitet, men de er flygtige. Vi har alle hørt nyhederne om lithium-ion-batterier i telefoner – især Samsung Galaxy 7 – der får telefoner til at bryde i brand.

Meget af problemet skyldes brugen af ​​brændbar flydende elektrolyt inde i batteriet. En fremgangsmåde er at bruge en ikke-brændbar fast elektrolyt sammen med en lithiummetalelektrode. Dette ville øge batteriets energi og samtidig mindske risikoen for brand.

I det væsentlige, destinationen er at bygge næste generation af solid-state batterier, der ikke går boom. Rejsen er at grundlæggende forstå lithium.

"Alle ser bare på energilagringskomponenterne i batteriet, siger Erik Herbert, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Michigan Technological University. "Meget få forskergrupper er interesserede i at forstå de mekaniske elementer. Men lavt og se, Vi er ved at opdage, at de mekaniske egenskaber af lithium i sig selv kan være nøglebrikken i puslespillet."

Michigan Tech-forskere bidrager væsentligt til at opnå en grundlæggende forståelse af lithium med resultater offentliggjort i dag i en inviteret tre-papirserie i Journal of Materials Research, udgivet i fællesskab af Materials Research Society og Cambridge University Press. Herbert og Stephen Hackney, professor i materialevidenskab og teknik, sammen med Violet Thole, en kandidatstuderende ved Michigan Tech, Nancy Dudney ved Oak Ridge National Laboratory og Sudharshan Phani ved International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials, dele resultater, der understreger betydningen af ​​lithiums mekaniske adfærd i styringen af ​​ydeevnen og sikkerheden af ​​næste generations batterier.

Som en fryse-tø-cyklus, der ødelægger beton, lithium dendritter beskadiger batterier

Lithium er et ekstremt reaktivt metal, hvilket gør den tilbøjelig til dårlig opførsel. Men den er også rigtig god til at gemme energi. Vi vil have vores telefoner (og computere, tablets og andre elektroniske enheder) for at oplade så hurtigt som muligt, og så batteriproducenter står over for dobbelt pres:Lav batterier, der oplades meget hurtigt, sende en ladning mellem katoden og anoden så hurtigt som muligt, og gør batterierne pålidelige, selvom de oplades gentagne gange.

Lithium er et meget blødt metal, men den opfører sig ikke som forventet under batteridrift. Monteringstryk, der uløseligt opstår under opladning og afladning af et batteri, resulterer i mikroskopiske fingre af lithium kaldet dendritter til at udfylde allerede eksisterende og uundgåelige mikroskopiske fejl - riller, porer og ridser - ved grænsefladen mellem lithiumanoden og den faste elektrolytseparator.

Under fortsat cykling, disse dendritter kan trænge sig ind i og til sidst gennem, det faste elektrolytlag, der fysisk adskiller anoden og katoden. Når en dendrit når katoden, enheden kortslutter og fejler, ofte katastrofalt. Herbert og Hackneys forskning fokuserer på, hvordan lithium dæmper det tryk, der naturligt udvikler sig under opladning og afladning af et solid state-batteri.

Deres arbejde dokumenterer lithiums bemærkelsesværdige opførsel på submikron længde skalaer - boring ned i lithiums mindste og uden tvivl mest forvirrende egenskaber. Ved at indrykke lithiumfilm med en sonde med diamantspids for at deformere metallet, forskerne undersøger, hvordan metallet reagerer på tryk. Deres resultater bekræfter den uventede høje styrke af lithium i små længdeskalaer rapporteret tidligere på året af forskere ved Cal Tech.

Herbert og Hackney bygger videre på den forskning ved at levere den første, mekanisk forklaring på lithiums overraskende høje styrke.

Lithiums evne til at diffundere eller omarrangere sine egne atomer eller ioner i et forsøg på at lette trykket påført af indenterspidsen, viste forskere vigtigheden af ​​den hastighed, hvormed lithium deformeres (som er relateret til, hvor hurtigt batterier oplades og aflades), samt virkningerne af defekter og afvigelser i arrangementet af lithiumioner, der udgør anoden.

Borer ned for at forstå lithiums opførsel

I artiklen "Nanoindentation af dampaflejrede lithiumfilm med høj renhed:Theelastic modulus, " forskere måler lithiums elastiske egenskaber for at afspejle ændringer i den fysiske orientering af lithiumioner. Disse resultater understreger nødvendigheden af ​​at inkorporere lithiums orienteringsafhængige elastiske egenskaber i alt fremtidigt simuleringsarbejde. Herbert og Hackney giver også eksperimentelle beviser, der indikerer, at lithium kan have en forbedret evne til at omdanne mekanisk energi til varme i længdeskalaer mindre end 500 nanometer.

I den efterfølgende artikel, "Nanoindentation af dampaflejrede lithiumfilm med høj renhed:En mekanistisk rationalisering af diffusionsmedieret strømning, "Herbert og Hackney dokumenterer lithiums bemærkelsesværdigt høje styrke ved længdeskalaer mindre end 500 nanometer, og de giver deres oprindelige rammer, som har til formål at forklare, hvordan lithiums evne til at styre tryk styres af diffusion og den hastighed, hvormed materialet deformeres.

Endelig, i "Nanoindentation af dampaflejrede lithiumfilm med høj renhed:En mekanistisk rationalisering af overgangen fra diffusion til dislokationsmedieret strømning, " Forfatterne leverer en statistisk model, der forklarer de forhold, hvorunder lithium gennemgår en brat overgang, der yderligere letter dets evne til at lette tryk. De giver også en model, der direkte forbinder lithiums mekaniske adfærd med batteriets ydeevne.

"Vi forsøger at forstå de mekanismer, hvorved lithium lindrer tryk på længdeskalaer, der svarer til grænsefladedefekter, " siger Herbert. At forbedre vores forståelse af dette grundlæggende problem vil direkte muliggøre udviklingen af ​​en stabil grænseflade, der fremmer sikker, langsigtet og høj cykelydelse.

Herbert siger:"Jeg håber, at vores arbejde har en væsentlig indflydelse på den retning, folk tager i forsøget på at udvikle næste generations lagerenheder."