Undersøgelse identificerer hovedsynderen bag lithiummetalbatterisvigt

Et forskerhold ledet af University of California San Diego har opdaget årsagen til, hvorfor lithiummetalbatterier fejler - bits af lithiummetalaflejringer brækker af fra overfladen af ​​anoden under afladning og fanges som "dødt" eller inaktivt lithium, som batteriet ikke længere kan få adgang.

Opdagelsen, udgivet 21. august i Natur , udfordrer den konventionelle tro på, at lithiummetalbatterier fejler på grund af væksten af ​​et lag, kaldet den faste elektrolyt-interfase (SEI), mellem lithiumanoden og elektrolytten. Forskerne gjorde deres opdagelse ved at udvikle en teknik til at måle mængden af ​​inaktive lithiumarter på anoden - en første inden for batteriforskning - og studere deres mikro- og nanostrukturer.

Resultaterne kan bane vejen for at bringe genopladelige lithiummetalbatterier fra laboratoriet til markedet.

"Ved at finde ud af den væsentligste underliggende årsag til svigt af lithiummetalbatterier, vi kan rationelt komme med nye strategier til at løse problemet, " sagde førsteforfatter Chengcheng Fang, en materialevidenskab og ingeniør-ph.d. studerende ved UC San Diego. "Vores ultimative mål er at muliggøre et kommercielt levedygtigt lithiummetalbatteri."

Lithium metal batterier, som har anoder lavet af lithiummetal, er en væsentlig del af den næste generation af batteriteknologier. De lover dobbelt så meget energitæthed som nutidens lithium-ion-batterier (som normalt har anoder lavet af grafit), så de kunne holde længere og veje mindre. Dette kan potentielt fordoble rækkevidden af ​​elbiler.

Men et stort problem med lithiummetalbatterier er lav Coulombic effektivitet, hvilket betyder, at de gennemgår et begrænset antal cyklusser, før de holder op med at virke. Det er fordi, mens batteriet cykler, dets lagre af aktivt lithium og elektrolyt bliver opbrugt.

Batteriforskere har længe haft mistanke om, at dette skyldes væksten af ​​det solide elektrolytinterfase (SEI) lag mellem anoden og elektrolytten. Men selvom forskere har udviklet forskellige måder at kontrollere og stabilisere SEI-laget på, de har stadig ikke helt løst problemerne med lithiummetalbatterier, forklarede seniorforfatter Y. Shirley Meng, en nanoingeniørprofessor ved UC San Diego.

"Cellerne fejler stadig, fordi der dannes en masse inaktivt lithium i disse batterier. Så der er et andet vigtigt aspekt, der bliver overset, " sagde Meng.

De skyldige, Meng, Fang og kolleger fandt, er lithiummetalaflejringer, der brækker af anoden, når batteriet aflades og derefter bliver fanget i SEI-laget. der, de mister deres elektriske forbindelse til anoden, bliver inaktivt lithium, der ikke længere kan cykles gennem batteriet. Dette fangede lithium er i høj grad ansvarlig for at sænke cellens Coulombic effektivitet.

Måling af ingredienserne i inaktivt lithium

Forskerne identificerede synderen ved at skabe en metode til at måle, hvor meget ureageret lithiummetal bliver fanget som inaktivt lithium. Vand tilsættes til en forseglet kolbe indeholdende en prøve af inaktivt lithium, der er dannet på en cyklus halvcelle. Enhver bit af ureageret lithiummetal reagerer kemisk med vand for at producere brintgas. Ved at måle, hvor meget gas der produceres, forskere kan beregne mængden af ​​fanget lithiummetal.

Inaktivt lithium består også af en anden komponent:lithiumioner, som er byggestenene i SEI-laget. Deres mængde kan også beregnes ved blot at trække mængden af ​​uomsat lithiummetal fra den samlede mængde inaktivt lithium.

I test på lithiummetalhalvceller, forskere fandt, at ureageret lithiummetal er hovedingrediensen i inaktivt lithium. Efterhånden som mere af det dannes, jo lavere synker Coulombic-effektiviteten. I mellemtiden mængden af ​​lithium-ioner fra SEI-laget forbliver konsekvent lav. Disse resultater blev observeret i otte forskellige elektrolytter.

"Dette er et vigtigt fund, fordi det viser, at det primære fejlprodukt af lithiummetalbatterier er ureageret metallisk lithium i stedet for SEI, " Fang sagde. "Dette er en pålidelig metode til at kvantificere de to komponenter af inaktivt lithium med ultrahøj nøjagtighed, som intet andet karakteriseringsværktøj har været i stand til at gøre."

"Den aggressive kemiske natur af lithiummetal har gjort denne opgave meget udfordrende. Parasitiske reaktioner af mange forskellige typer forekommer samtidigt på lithiummetal, gør det næsten umuligt at skelne mellem disse forskellige typer inaktivt lithium, " sagde Kang Xu, hvis hold ved U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory leverede en af ​​de avancerede elektrolytformuleringer til at teste metoden. "Den avancerede metodologi etableret i dette arbejde giver et meget kraftfuldt værktøj til at gøre dette på en præcis og pålidelig måde."

Forskerne håber, at deres metode kan blive den nye standard for evaluering af effektiviteten i lithiummetalbatterier.

"Et af de problemer, batteriforskere står over for, er, at testbetingelserne er meget forskellige på tværs af laboratorier, så det er svært at sammenligne data. Det er som at sammenligne æbler med appelsiner. Vores metode kan gøre det muligt for forskere at bestemme, hvor meget inaktivt lithium, der dannes efter elektrokemisk test, uanset hvilken type elektrolyt eller celleformat de bruger, " sagde Meng.

Et nærmere kig på inaktivt lithium

Ved at studere mikro- og nanostrukturerne af lithiumaflejringer i forskellige elektrolytter, forskerne besvarer et andet vigtigt spørgsmål:hvorfor nogle elektrolytter forbedrer Coulombic effektivitet, mens andre ikke gør.

Svaret har at gøre med, hvordan lithium aflejres på anoden, når cellen oplades. Nogle elektrolytter får lithium til at danne mikro- og nanostrukturer, der øger cellens ydeevne. For eksempel, i en elektrolyt, der er specielt designet af Mengs samarbejdspartnere hos General Motors, lithiumaflejringer så tætte, søjleformede bidder. Denne type struktur får mindre uomsat lithiummetal til at blive fanget i SEI-laget som inaktivt lithium under udledning. Resultatet er en Coulombic effektivitet på 96 procent for den første cyklus.

"Denne fremragende ydeevne tilskrives den søjleformede mikrostruktur dannet på overfladen af ​​strømkollektoren med minimal snoethed, hvilket væsentligt forbedrer den strukturelle forbindelse, " sagde Mei Cai, hvis team hos General Motors udviklede den avancerede elektrolyt, der gjorde det muligt for lithium at afsætte med den "ideelle" mikrostruktur.

I modsætning, når der anvendes en kommerciel karbonatelektrolyt, lithiumaflejringer med en snoet, knurhårlignende morfologi. Denne struktur får mere lithiummetal til at blive fanget i SEI'en under stripningsprocessen. Coulombic effektivitet sænkes til 85 procent.

Bevæger sig fremad, holdet foreslår strategier til at kontrollere aflejring og stripning af lithiummetal. Disse omfatter påføring af tryk på elektrodestablerne; skabe SEI-lag, der er ensartede og mekanisk elastiske; og ved hjælp af 3-D strømaftagere.

"Kontrol af mikro- og nanostrukturen er nøglen, " sagde Meng. "Vi håber, at vores indsigt vil stimulere nye forskningsretninger for at bringe genopladelige lithiummetalbatterier til det næste niveau."