Undersøgelse foreslår vej til forbedring af genopladelige lithium-batterier

De fleste af nutidens lithium-ion-batterier, som driver alt fra biler til telefoner, Brug en væske som elektrolyt mellem to elektroder. Brug af en fast elektrolyt i stedet kan give store fordele for både sikkerhed og energilagringskapacitet, men forsøg på at gøre dette har mødt uventede udfordringer.

Forskere rapporterer nu, at problemet kan være en forkert fortolkning af, hvordan sådanne batterier fejler. De nye resultater, som kunne åbne nye veje for at udvikle lithiumbatterier med faste elektrolytter, rapporteres i journalen Avancerede energimaterialer , i et papir af Yet-Ming Chiang, Kyocera-professoren i keramik ved MIT; W. Craig Carter, POSCO professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved MIT; og otte andre.

Elektrolytten i et batteri er materialet mellem de positive og negative elektroder - en slags fyld i batterisandwichen. Når batteriet bliver opladet eller drænet, ioner (elektrisk ladede atomer eller molekyler) krydser gennem elektrolytten fra den ene elektrode til den anden.

Men disse flydende elektrolytter kan være brandfarlige, og de har været ansvarlige for nogle brande forårsaget af sådanne batterier. De er også tilbøjelige til at danne dendritter - tynde, fingerlignende fremspring af metal, der bygger sig op fra en elektrode og, hvis de når hele vejen over til den anden elektrode, kan skabe en kortslutning, der kan beskadige batteriet.

Forskere har forsøgt at omgå disse problemer ved at bruge en elektrolyt lavet af faste materialer, såsom noget keramik. Dette kan eliminere brændbarhedsproblemet og give andre store fordele, men tests har vist, at sådanne materialer har en tendens til at fungere noget uregelmæssigt og er mere tilbøjelige til kortslutninger end forventet.

Problemet, ifølge denne undersøgelse, er, at forskere har fokuseret på de forkerte egenskaber i deres søgen efter et fast elektrolytmateriale. Den fremherskende idé var, at materialets fasthed eller squishiness (en egenskab kaldet shear modulus) afgjorde, om dendritter kunne trænge ind i elektrolytten. Men den nye analyse viste, at det er overfladens glathed, der betyder mest. Mikroskopiske hak og ridser på elektrolyttens overflade kan give et fodfæste for de metalliske aflejringer til at begynde at trænge sig ind, fandt forskerne.

Dette tyder på, Chiang siger, at blot at fokusere på at opnå glattere overflader kunne eliminere eller i høj grad reducere problemet med dendritdannelse i batterier med en fast elektrolyt. Ud over at undgå brandbarhedsproblemet forbundet med flydende elektrolytter, denne tilgang kunne gøre det muligt også at bruge en solid lithiummetalelektrode. Hvis du gør det, kan det potentielt fordoble et lithium-ion-batteris energikapacitet - dvs. dets evne til at lagre energi til en given vægt, hvilket er afgørende for både køretøjer og bærbare enheder.

"Danningen af ​​dendritter, fører til eventuelle kortslutningsfejl, har været hovedårsagen til, at genopladelige lithium-metal-batterier ikke har været mulige, " forklarer Chiang. (Lithium-metalelektroder bruges almindeligvis i ikke-genopladelige batterier, men det er fordi dendritter kun dannes under opladningsprocessen.)

Problemet med dendritdannelse i genopladelige lithiumbatterier blev først erkendt i begyndelsen af ​​1970'erne, Chiang siger, "og 45 år senere er det problem stadig ikke løst. Men målet er stadig fristende, " på grund af potentialet til at fordoble et batteris kapacitet ved at bruge lithiummetalelektroder.

I de sidste par år, en række grupper har forsøgt at udvikle faste elektrolytter som en måde at muliggøre brugen af ​​lithiummetalelektroder. Der arbejdes på to hovedtyper, Chiang siger:lithiumphosphorsulfider, og metaloxider. Med al denne forskningsindsats, en af ​​de fremherskende tanker var, at materialet skulle være stift, ikke elastisk. Men disse materialer har haft en tendens til at vise inkonsekvente og forvirrende resultater i laboratorietests.

Ideen gav mening, Chiang siger - et stivere materiale burde være mere modstandsdygtigt over for noget, der forsøger at presse ind i dets overflade. Men det nye værk, hvor holdet testede prøver af fire forskellige varianter af potentielle faste elektrolytmaterialer og observerede detaljerne om, hvordan de klarede sig under opladnings- og afladningscyklusser, viste, at den måde, dendritter faktisk dannes i stive faste materialer, følger en helt anden proces end dem, der dannes i flydende elektrolytter.

På de faste overflader, lithium fra en af ​​elektroderne begynder at blive aflejret, gennem en elektrokemisk reaktion, på enhver lille defekt, der findes på elektrolyttens overflade, inklusive små gruber, revner, og ridser. Når først den første indbetaling dannes på en sådan defekt, det fortsætter med at bygge – og, overraskende, opbygningen strækker sig fra dendrittens spids, ikke fra sin base, når den trænger sig ind i det faste, fungerer som en kile, mens den går og åbner en stadig bredere revne.

Disse materialer er "meget følsomme over for antallet og størrelsen af ​​overfladefejl, ikke til materialets bulkegenskaber, siger Chiang. "Det er sprækkeudbredelsen, der fører til svigt... Det fortæller os, at det, vi bør fokusere mere på, er kvaliteten af ​​overfladerne, om, hvor glatte og fejlfrie vi kan lave disse solide elektrolytfilm."

"Jeg tror, ​​at dette højkvalitets og nye værk vil nulstille tankerne om, hvordan man konstruerer praktiske lithiummetal solid-state batterier, " siger Alan Luntz, en rådgivende professor i metal-luft batteriforskning ved Stanford University, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "Forfatterne har vist, at en anden mekanisme styrer lithiummetalkortslutning i lithium-faststofbatterier end i flydende eller polymer-lithiummetalbatterier, hvor dendritter dannes. ... Dette indebærer, at hvis lithiummetal-faststofbatterier nogensinde skal have praktiske strømtætheder, så er omhyggelig minimering af alle strukturelle defekter ved lithiummetal- og elektrolytgrænsefladen afgørende, " han siger.

Luntz tilføjer, "Jeg anser det for at være et ekstremt vigtigt bidrag til målet om at udvikle praktiske og sikre alle solid-state batterier."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.