Forskere får et smugkig på en nøgleproces i batterilevetiden

Forskere fra Skoltech Center for Energividenskab og Teknologi (CEST) visualiserede dannelsen af ​​en fast elektrolyt-interfase på kulstofholdige elektrodematerialer af batterikvalitet ved hjælp af in situ atomkraftmikroskopi (AFM). Dette vil hjælpe forskere med at designe og bygge batterier med højere ydeevne og holdbarhed.

En solid elektrolyt-interfase (SEI) er et tyndt lag af elektrolytreduktionsprodukter, der dannes på overfladen af ​​en lithium-ion-batterianode under flere indledende cyklusser. Det forhindrer yderligere elektrolytnedbrydning, stabilisering af elektrode/elektrolyt-grænsefladen, og sikrer en lang batterilevetid. At danne en SEI-film tager tid og energi, og dets kvalitet styrer i høj grad batteriets ydeevne og holdbarhed:en dårligt udformet SEI resulterer i hurtig forringelse af batteriets ydeevne.

Stadig, dannelsen af ​​SEI er stadig dårligt forstået, og videnskabsmænd bruger in situ atomkraftmikroskopi, der tillader direkte observation af denne proces. Indtil nu, de fleste af disse målinger blev udført på højt orienteret pyrolytisk grafit (HOPG), en meget ren og ordnet form for grafit, som har en ren og atomisk flad basalplan overflade. Imidlertid, HOPG er en dårlig erstatning for faktiske batteri-kvalitet elektrodematerialer, så processen er væsentligt forskellig fra, hvad der sker inde i et kommercielt batteri.

Et Skoltech-hold ledet af forsker Sergey Luchkin og professor Keith Stevenson lykkedes med at visualisere SEI-dannelsen på materialer af batterikvalitet. For det, de skulle designe en elektrokemisk celle, der tillod de målinger, der var nødvendige for denne direkte observation af SEI-dannelse.

"Batterikvalitetsmaterialer er pulvere, og visualisering af dynamiske processer på deres overflade af AFM, især i et flydende miljø, er udfordrende. En standard batterielektrode er for ru til sådanne målinger, og isolerede partikler har tendens til at løsne sig fra substratet under scanning. For at overvinde dette problem, vi indlejrede partiklerne i epoxyharpiks og lavede et tværsnit, så partiklerne var fast fikseret i substratet, " siger Luchkin.

Forskerne fandt ud af, at SEI på materialer af batterikvalitet havde et andet potentiale end det på HOPG. Den var også mere end to gange tykkere og mekanisk stærkere. Endelig, de var i stand til at demonstrere, at SEI var bedre bundet til den ru overflade af batterikvalitetsgrafit end med den flade overflade af HOPG.

"Rumligt løste undersøgelser af batterigrænseflader og interfaser beskrevet i dette arbejde giver betydelig ny indsigt i strukturen og udviklingen af ​​anode SEI. Derfor, de giver faste retningslinjer for rationelt elektrolytdesign for at muliggøre højtydende batterier med forbedret sikkerhed, " tilføjer Stevenson.