Kryo-elektronmikroskopi kaster nyt lys over batterier

Grænsefladen mellem den faste anode og den flydende elektrolyt spiller en afgørende rolle i ydelsen af ​​et lithium-metalbatteri, men karakterisering af de processer, der sker i det skæringspunkt, har været en udfordring.

For at studere overfladen af ​​anoden, generelt fjernes den flydende elektrolyt, og overfladen vaskes og tørres før analyse. Men denne vask og tørring ændrer fundamentalt struktur og kemi i grænsefladen; for at få et præcist billede af grænsefladen, den skal ses i sin naturlige tilstand.

Forskere i laboratoriet af Lena Kourkoutis, adjunkt i anvendt og teknisk fysik, har udviklet og demonstreret en teknik til direkte visualisering af fast-væske-grænseflader i et forsøg på bedre at forstå et stort problem med Li-metalbatterier:dendritvækst på anoden, som kan forårsage kortslutning og i ekstreme tilfælde, katastrofalt batterisvigt.

Michael Zachman, Ph.d. '18, medlem af Kourkoutis -laboratoriet, er hovedforfatter til "Cryo-STEM kortlægning af fast-flydende grænseflader og dendritter i Li-metal batterier, ", der vil udgive 16. august i Natur .

Nøglebidrag blev leveret af laboratoriet i Lynden Archer, James A. Friend -familien Fremstående professor i teknik ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Zhengyuan Tu, Ph.d. '17, og Snehashis Choudhury, Ph.d. '18, begge i Archer -gruppen, konstrueret og analyseret ydelsen af ​​de batterier, der blev brugt i undersøgelsen.

Metoden udviklet af Kourkoutis 'laboratorium involverer hurtig nedfrysning af elektrolytten på elektroden, og en række kryogene mikroskopiteknikker til analyse af morfologiske, kemisk og strukturel information ved fast-væske-grænsefladen. Dette arbejde har konsekvenser for systemer langt ud over energilagring, siger forskerne.

"Den teknik, vi udviklede, giver os virkelig mulighed for at have et uforvrænget syn på, hvad der foregår på disse meget komplekse grænseflader, "Sagde Kourkoutis." Og det er nøglen for ikke kun at forstå den særlige grænseflade, men også konsekvenserne af de reaktioner eller processer, der opstår. "

Kourkoutis sagde, at dette arbejde var inspireret af hendes erfaring i et biologilaboratorium ved Max Planck Institute i Tyskland, hvor hun brugte en metode kaldet cryo-FIB (fokuseret ionstråle) til at se på processer inde i celler. I Cornell, hendes gruppe tilpassede cryo-FIB til fast-væske-grænseflader og kombinerede det med cryo-STEM (scanning transmissionselektronmikroskopi) for at få adgang til den intakte struktur af dendritter i nanoskalaen.

Til dette arbejde, møntcellebatterier blev åbnet, og elektroden kastede straks ned i et kryogen for hurtigt at fryse og bevare strukturen. Zachman, der forberedte prøverne og udførte eksperimenterne, opdagede to forskellige typer dendritter på anodeoverfladen:Type I var relativt stor (ca. 5 mikrometer på tværs) med lav krumning; type II var hundredvis af nanometer tyk og snoet.

Ud over, type I-dendritterne viste en forlænget fast-elektrolytinterfase (SEI)-et blødt lag, der menes at være en forløber for dendritvækst-cirka 300 til 500 nanometer tyk, meget større end tidligere blevet observeret. Opdagelse af dette lag - som undersøgelsen foreslår for det meste er tabt under vask og tørring, der er nødvendig i traditionel analyse - signalerer, at mere lithium går irreversibelt tabt til SEI -laget, end man tidligere har troet.

Gruppens teknik afslørede også, at type II -dendritterne var sammensat af lithiumhydrid. "Det blev antaget, at kun dendrit sammensat af lithiummetal var i batterier, "Sagde Zachman, "og nu ser vi, at der faktisk også er lithiumhydriddendritter til stede, og de skal have betydelige ydelseseffekter på batteriet. "

Archer sagde, at disse opdagelser skulle hjælpe med at give "vigtige spor om, hvordan man kan gribe kemisk design af batterielektrolytter til."

Samarbejdet mellem Kourkoutis og Archer -grupperne stammede fra et fælles forslag skrevet til at sikre 2,7 millioner dollars fra National Science Foundation for at opnå det scannende transmissionselektronmikroskop, der blev brugt i denne forskning.

"Dette er en fremragende demonstration af arven fra radikale samarbejder, der er kommet til at definere materialevidenskabelig forskning på Cornell, og som adskiller Cornell fra sine jævnaldrende som stedet at udføre sådant arbejde, "Sagde Archer.