Til lithiummetal, mindre er stærkere

Dannelsen af ​​lithiumdendritter er stadig et mysterium, men materialeingeniører studerer de forhold, der muliggør dendritter, og hvordan man stopper dem.

Historisk set, som for årtier siden, genopladelige lithiummetalbatterier var farlige. Disse batterier blev hurtigt opgivet til fordel for Li-ion-batterier, som ikke indeholder metallisk lithium og nu er meget udbredt. I bestræbelserne på at fortsætte med at øge energitætheden og omkostningerne ned, vi undersøger igen, hvordan man effektivt og sikkert kan bruge lithiummetal i batterier. Solid state batterier, fri for brændbare væsker, kan være løsningen. Imidlertid, fremskridtet er blevet bremset, fordi lithiummetal stadig finder en måde at kortslutte batteriet og begrænse cykluslevetiden.

Solid-state lithium-batterier er den hellige gral for energilagring. Med potentielle indvirkninger på alt fra personlige mobile enheder til industriel vedvarende energi, vanskelighederne er værd at overvinde. Målet:Byg et sikkert lithiumbatteri med lang levetid. Udfordringen:Brug en faststofelektrolyt og stop kortslutning fra dannelsen og væksten af ​​lithiumdendritter.

I en ny inviteret feature paper offentliggjort i Journal of Materials Research , materialeingeniører fra Michigan Technological University vejer ind i problemet. Deres holdning er usædvanlig. De fokuserer på lithiums unikke mekanik ved dimensioner, der er en brøkdel af diameteren af ​​håret på dit hoved - meget mindre skalaer end de fleste andre mener.

"Folk tænker på lithium som værende blødt som smør, så hvordan kan det overhovedet have styrken til at trænge gennem en keramisk fast elektrolytseparator?" spurgte Erik Herbert, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Michigan Tech og en af ​​studiets ledere. Han siger, at svaret ikke er intuitivt - mindre er stærkere. Små fysiske defekter som mikrorevner, porer eller overfladeruhed eksisterer uundgåeligt ved grænsefladen mellem en lithiumanode og en fast elektrolytseparator. Zoom ind på mekanikken i lithiummetal i længdeskalaer, der svarer til de små grænsefladedefekter, det viser sig, at lithium er meget stærkere, end det er på makroskopiske eller bulk-længdeskalaer.

"Lithium kan ikke lide stress mere end du eller jeg kan lide stress, så det er bare at prøve at finde ud af, hvordan man får presset til at forsvinde, " sagde Herbert. "Det, vi siger, er, at på små længdeskalaer, hvor lithium sandsynligvis ikke har adgang til den normale mekanisme, som det ville bruge til at lette tryk, den skal stole på andre, mindre effektive metoder til at lindre stress."

I ethvert krystallinsk metal som lithium, atomare niveau defekter kaldet dislokationer er nødvendige for at lindre betydelige mængder af stress. Ved makroskopiske eller bulk længde skalaer, dislokationer slipper effektivt af med stress, fordi de tillader tilstødende atomplaner let at glide forbi hinanden som et sæt kort. Imidlertid, ved små længdeskalaer og høje temperaturer i forhold til metallets smeltepunkt, chancen for at finde dislokationer inden for det belastede volumen er meget lav. Under disse forhold, metallet skal finde en anden måde at lette trykket på. For lithium, det betyder at skifte til diffusion. Spændingen skubber lithiumatomer væk fra det belastede volumen - svarende til at blive båret væk på en atomær lufthavns gangbro. Sammenlignet med dislokationsbevægelse, diffusion er meget ineffektiv. Det betyder i små længdeskalaer, hvor diffusion styrer stressaflastning snarere end dislokationsbevægelse, lithium kan understøtte mere end 100 gange mere stress eller tryk, end det kan på makroskopiske længdeskalaer.

Katastrofale problemer kan opstå i det, Herbert og hans medledere, MTU professor Stephen Hackney, ring til defektfarezonen. Zonen er et vindue af fysiske defektdimensioner defineret af spændingsaflastningskonkurrencen mellem diffusion og dislokationsbevægelse. Det værst tænkelige scenarie er en fysisk grænsefladedefekt (en mikrorevne, pore- eller overfladeruhed), der er for stor til effektiv spændingsaflastning ved diffusion, men for lille til at muliggøre spændingsaflastning ved dislokationsbevægelse. I dette omvendte Guldlok-problem, høje spændinger i lithiumet kan få den faste elektrolyt og hele batteriet til at svigte katastrofalt. Interessant nok, farezonens størrelse er den samme størrelse som de observerede lithiumdendritter.

"De meget tynde solid-state elektrolytter og høje strømtætheder, der kræves for at levere batteristrøm og korte opladningstider, som forbrugerne forventer, er forhold, der favoriserer lithiumdendritfejl, så dendritproblemet skal løses for at teknologien kan udvikle sig, " sagde Hackney. "Men for at gøre solid state-teknologien levedygtig, begrænsningerne for strømkapacitet og cykluslevetid skal adresseres. Selvfølgelig, det første skridt til at løse problemet er at forstå årsagen, hvilket er, hvad vi forsøger at gøre med dette nuværende arbejde."

Hackney påpeger, at det mindre er stærkere koncept ikke er nyt. Materialeingeniører har studeret længdeskalaeffekt på mekanisk adfærd siden 1950'erne, selvom det ikke har været udbredt i overvejelserne om lithiumdendrit- og fastelektrolytproblemet.

"Vi tror, ​​at dette 'mindre er stærkere'-paradigme er direkte anvendeligt på den observerede lithiumdendritstørrelse, og bekræftes af vores eksperimenter med meget rent, tykke Li-film ved belastningshastigheder, der er relevante for initieringen af ​​dendritinstabiliteten under opladning, " sagde Hackney.

For nøje at undersøge deres hypotese, Herbert og Hackney udfører nanoindentationseksperimenter i lithiumfilm med høj renhed, der er produceret af en top batteriforsker, Nancy Dudney fra Oak Ridge National Laboratory.

"Lithiummetalets bulkegenskaber er velkarakteriseret, men dette er muligvis ikke relevant på skalaen af ​​defekter og inhomogene strømfordelinger, der sandsynligvis virker i meget tynde solid state-batterier, " Dudney sagde. "Modellen præsenteret i dette papir er den første til at kortlægge forhold, hvor det meget stærkere lithium vil påvirke cykluslivets ydeevne. Dette vil guide fremtidig undersøgelse af faste elektrolytter og batteridesign."

Blandt holdets næste skridt, de planlægger at undersøge virkningerne af temperatur og elektrokemiske cyklusser på den mekaniske opførsel af lithium i små længdeskalaer. Dette vil hjælpe dem med bedre at forstå de virkelige forhold og strategier til at gøre næste generations batterier immune over for dannelsen og væksten af ​​lithiumdendritter.