Materialeforskere bruger stimuleret Raman -spredningsmikroskopi til at observere ioner, der bevæger sig i flydende elektrolyt

Litiummetalbatterier holder et enormt løfte om næste generations energilagring, fordi den litiummetalnegative elektrode har 10 gange mere teoretisk specifik kapacitet end grafitelektroden, der bruges i kommercielle Li-ion-batterier. Det har også det mest negative elektrodepotentiale blandt materialer til lithiumbatterier, gør det til en perfekt negativ elektrode. Imidlertid, lithium er et af de vanskeligste materialer at manipulere, på grund af dens interne dendritvækstmekanisme. Denne meget komplekse proces er stadig ikke fuldt ud forstået og kan få Li-ion-batterier til tider at kortslutte, bryde i brand, eller endda eksplodere.

Mens forskere ved, at væksten af ​​dendritter, som er nålelignende lithium-whiskers, der dannes internt i batterielektroder, påvirkes af, hvordan ioner bevæger sig i elektrolytten, de forstår ikke, hvordan iontransport og inhomogen ionkoncentration påvirker lithiumaflejringens morfologi. Imaging ion transport i en gennemsigtig elektrolyt har vist sig at være meget udfordrende, og nuværende teknikker har været ude af stand til at fange lave ioniske koncentrationer og ultrahurtig elektrolytdynamik.

Columbia University forskere meddelte i dag, at de har brugt Stimulated Raman Scattering (SRS) mikroskopi, en teknik, der er meget udbredt i biomedicinske undersøgelser, at undersøge mekanismen bag dendritvækst i lithiumbatterier og, ved at gøre sådan, er blevet det første hold af materialeforskere, der direkte observerede iontransport i elektrolytter. De opdagede en lithiumaflejringsproces, der svarer til tre faser:ingen udtømning, en delvis udtømning (et tidligere ukendt stadium), og fuldstændig udtømning af lithiumioner. De fandt også en feedbackmekanisme mellem lithiumdendritvækst og heterogenitet af lokal ionkoncentration, der kan undertrykkes af kunstig fast elektrolytinterfase i andet og tredje trin. Avisen udgives online i Naturkommunikation .

"Brug af stimuleret Raman -spredningsmikroskopi, som er hurtig nok til at fange det hurtigt skiftende miljø inde i elektrolytten, vi har kunnet finde ud af ikke kun hvorfor lithiumdendritter dannes, men også hvordan de hæmmer deres vækst, "siger Yuan Yang, medforfatter af undersøgelsen og adjunkt i materialevidenskab og teknik, afdeling for anvendt fysik og anvendt matematik ved Columbia Engineering. "Vores resultater viser, at iontransport og inhomogen ionkoncentration er afgørende for dannelsen af ​​lithiumdendritter på lithiumoverfladen. Evnen til at visualisere ionbevægelse vil hjælpe os med at forbedre alle former for elektrokemiske apparater - ikke kun batterier, men også brændselsceller og sensorer. "

Til denne undersøgelse, Yang samarbejdede med Wei Min, professor i kemi ved Columbia University og studiens medforfatter. Ti år siden, Min udviklede SRS med kolleger som et værktøj til at kortlægge kemiske bindinger i biologiske prøver. Yang lærte om teknikken fra Mins websted, og indså, at SRS kan være et værdifuldt værktøj i hans batteriforskning.

"SRS er tre til seks størrelsesordener hurtigere end konventionel spontan Raman -mikroskopi, "Bemærkede Yang." Med SRS, vi kan erhverve et 3-D billede af opløsning på 300 nm på 10 sekunder med en kemisk opløsning ~ 10 mM, hvilket gør det muligt at forestille iontransport og distribution. "

Undersøgelsen afslørede, at der er tre dynamiske faser i Li -aflejringsprocessen:

1. En langsom og relativt ensartet aflejring af moslignende Li, når ionkoncentrationen er langt over 0;
2. En blandet vækst af mosset Li og dendritter; på dette tidspunkt, Li+ -udtømning sker delvist nær elektroden, og lithium dendrit fremspring begynder at dukke op; og
3. Dendritvækst efter fuld udtømning. Når overfladeionerne er helt udtømte, lithiumaflejringen vil blive domineret af "dendritvækst", og du vil se den hurtige dannelse af lithiumdendritter.

Trin 2 er et kritisk overgangspunkt, hvor den heterogene Li+ -udtømning på Li -overfladen får lithiumaflejringen til at vokse fra "mossy lithium mode" til "dendrit lithium mode." På dette tidspunkt, to regioner begynder at dukke op:en dendritregion, hvor lithium begynder at deponere dendritter med en hurtigere og hurtigere hastighed, og en ikke-dendrit region, hvor lithiumaflejringen bremses og endda stopper. Disse resultater er også i overensstemmelse med forudsigelser fra simuleringer udført af Pennsylvania State University -samarbejdspartnere, Long-Qing Chen, professor i materialevidenskab og teknik, og hans ph.d. studerende Zhe Liu.

"Den smarte brug af stimuleret Raman -spredningsmikroskopi til at visualisere elektrolytkoncentrationen inden for en driftselektrode er et reelt gennembrud i billeddannelsen af ​​elektrokemiske systemer, "siger Martin Bazant, professor i kemiteknik og matematik ved Massachusetts Institute of Technology. "I tilfælde af lithiumelektroaflejring, koblingen mellem lokal saltudtømning og dendritisk vækst blev direkte observeret for første gang, med vigtige konsekvenser for designet af sikre genopladelige metalbatterier. "

Opfølgning på deres observationer, Columbia -teamet udviklede derefter en metode til at hæmme dendritvækst ved homogenisering af ionkoncentrationen på lithiumoverfladen i begge trin 2 og 3.

"Da vi gjorde overfladeionfordelingen ensartet og afbød den ioniske heterogenitet ved at deponere en kunstig fast elektrolytgrænseflade, vi var i stand til at undertrykke dendritdannelsen, "siger undersøgelsens hovedforfatter Qian Cheng, en postdoktor i Yangs laboratorium. "Dette giver os en strategi til at undertrykke dendritvækst og gå videre til at forbedre energitætheden af ​​nuværende batterier, mens vi udvikler næste generations energilagring."

Min er meget glad for, at hans SRS -teknik er blevet et så stærkt værktøj til materialer og energifelter. "Uden SRS -mikroskopi, vi ville ikke have været i stand til at se og validere en så klar sammenhæng mellem Li+ -koncentrationen og dendritvækst, "siger han." Vi er begejstrede for, at flere inden for materialevidenskab vil lære om dette værktøj. Hvem ved, hvad vi vil se næste gang? "