knurhår, overfladevækst og dendritter i lithiumbatterier

Efterhånden som vores kærlighed til gadgets vokser, det samme gør krav om batterier med længere levetid. Men der er et problem.

For at lave et batteri, der holder længere, det skal være større, og større er ikke bedre, når det kommer til mobiltelefoner eller elbiler – for ikke at nævne pacemakere.

Lithium-ion-batterier har allerede et mindre end stjernernes ry:tænk eksploderende mobiltelefoner eller brande på fly. Ud over disse eksisterende problemer, når forskere forsøger at krympe disse batterier uden at kompromittere ydeevnen, resultaterne er endnu mere ustabile og tilbøjelige til kortslutning; ingeniører har ikke været i stand til at komme forbi disse problemer.

Forskere ved Washington University i St. Louis har ny indsigt i årsagen – eller årsagerne – til disse problemer, baner vejen for mindre, sikrere, mere energitætte batterier. Resultatet af deres arbejde er for nylig blevet offentliggjort online i tidsskriftet Joule .

Peng Bai, adjunkt ved School of Engineering &Applied Science, har identificeret tre vigtige nuværende grænser, når det kommer til disse energitætte lithiummetalbatterier. Det viser sig, ingeniører havde ledt efter én løsning på, hvad der viser sig at være tre problemer.

Et lithium-ion-batteri er lavet af tre lag:et lag lavspændingsmateriale (grafit) kaldet anoden; en af ​​højspændingsmateriale (lithiumkoboltoxid) kaldet katoden; og et lag af porøs plast, som adskiller de to.

Separatoren fugtes af en væske kaldet en elektrolyt. Når batteriet aflades, lithium-ioner tømmes ud af anoden, passerer gennem den flydende elektrolyt, og bevæger sig ind i katoden. Processen vendes efterhånden som batteriet oplades.

"Med halvdelen af ​​lithium-ion-hosting-elektrodematerialerne tomme hele tiden, " sagde Bai, "du spilder halvdelen af ​​din plads."

Ingeniører har vidst, at de kunne bygge et mere energitæt batteri (et mindre batteri med en lignende udgangskapacitet) ved at kassere noget af den dødvægt, der følger med, når halvdelen af ​​værtsmaterialerne altid er tomme. De har haft minimal succes ved at fjerne grafitanoden, derefter reducere lithium-ionerne med elektroner under genopladning, en proces, som danner en tynd plettering af lithiummetal.

"Problemet er, at lithiummetalbelægningen ikke er ensartet, " sagde Bai. "Den kan gro "fingre." "

Forskere har omtalt disse fingre som "dendritter". Da de spredte sig fra lithiummetalbelægningen, de kan trænge ind i separatoren i batteriet, fører til kortslutning.

Men ikke alle "fingre" er ens. "Hvis du kalder dem alle dendritter, du leder efter én løsning til faktisk at løse tre problemer, hvilket er umuligt, " sagde Bai. "Det er derfor, efter så mange år er dette problem aldrig blevet løst."

Hans team har identificeret tre forskellige typer fingre, eller vækstformer, i disse lithiummetalanoder. De skitserer også, ved hvilken strøm hver væksttilstand vises.

"Hvis du bruger meget høj strøm, det bygger på spidsen for at producere en trælignende struktur, " sagde Bai. Det er "ægte dendritter" (se figur A).

Under den nedre grænse har du knurhår, der vokser fra roden (se figur B).

Og inden for disse to grænser eksisterer der den dynamiske overgang fra knurhår til dendritter, som Bai kalder "overfladevækst" (se figur C).

Disse vækster er alle relateret til de konkurrerende reaktioner i området mellem den flydende elektrolyt og metalaflejringerne.

Undersøgelsen viste, at en nanoporøs keramisk separator kan blokere whiskers op til en vis strømtæthed, hvorefter overfladebevoksninger langsomt kan trænge ind i separatoren. Med en stærk nok strøm, "ægte dendritter" form, som nemt og meget hurtigt kan trænge igennem separatoren for at kortslutte batteriet.

På dette tidspunkt, Bai sagde, "vores unikke gennemsigtige celle afslørede, at batterispændingen kunne se ganske normal ud, selvom separatoren er blevet gennemtrængt af en lithiummetalfilament. Uden at se hvad der sker indeni, du kan let blive narre af den tilsyneladende rimelige spænding, men, virkelig, dit batteri er allerede defekt."

For at bygge et pengeskab, effektiv, pålideligt batteri med en lithiummetalanode, de tre vækstmåder skal styres af tre forskellige metoder.

Dette vil være en udfordring i betragtning af, at forbrugerne ønsker batterier, der kan lagre mere energi, og samtidig ønsker, at de oplades hurtigere. Kombinationen af ​​disse to giver uundgåeligt en højere og højere ladestrøm, som kan overstige en af ​​de kritiske strømme identificeret af Bais team.

Og, batterier kan nedbrydes. Når de gør, de kritiske strømme, der er identificeret for det nye batteri, gælder ikke længere; tærsklen bliver lavere. På det tidspunkt, givet den samme hurtige ladestrøm, der er større sandsynlighed for, at batteriet kortslutter.

"Batteridrift er meget dynamisk, i en meget bred vifte af strømme. Alligevel varierer dens disposition dramatisk i løbet af cykluslivet," sagde Bai. "Det er derfor, det bliver nødvendigt."