Slut med at lege med ilden:Studiet giver indsigt i sikrere genopladelige batterier

Lithium-ion-batterier (LIB'er) er en almindelig type genopladelige batterier. Deres alsidige natur og talrige anvendelser i alle slags elektroniske enheder – fra mobiltelefoner til biler – får dem til at virke for gode til at være sande. Og måske er de:for nylig, der har været en stigning i antallet af brandrelaterede hændelser forbundet med LIB'er, især under opladning, forårsager alvorlige bekymringer over deres sikkerhed. Forskere ved nu, at disse hændelser kan skyldes brugen af ​​en ødelagt eller uautoriseret oplader. Tit, ukorrekt brug af disse opladere og overopladning kan føre til dannelse af spidse strukturer på batteriets negative elektrode, kaldet "lithium (Li) dendritter, " som trænger gennem barrieren mellem de negative og positive elektroder og forårsager en kortslutning. at se på præcis, hvordan dendritdannelse opstår, er afgørende for at forbedre sikkerheden af ​​LIB'er.

Forskere ved Okayama University, ledet af lektor Kazuma Gotoh, tog for nylig et skridt i denne retning, i en ny undersøgelse offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A . De dykkede i at finde den præcise mekanisme for dendritdannelse i LIB'er, i et forsøg på at overvinde deres begrænsninger og gøre deres praktiske anvendelse lettere. Dr. Gotoh forklarer, "Vi ønskede at analysere dannelsen af ​​metaldendritter i sekundære (genopladelige) batterier og bidrage til at forbedre batteriernes sikkerhed."

Tidligere undersøgelser, der forsøgte at forstå processen med Li-dendritdannelse, var succesrige til en vis grad:de afslørede, at når batteriet er i en overopladet tilstand, dendritdannelse sker i overlithiationsfasen af ​​battericyklussen. Men, disse eksperimenter blev udført ex situ (uden for det faktiske elektrokemiske miljø), og derfor blev det nøjagtige tidspunkt for begyndelse af dendritdannelse ikke fundet. I deres nye undersøgelse, Dr. Gotoh og hans team besluttede at overvinde denne begrænsning. De regnede med, at ved at anvende operando-metoder (som replikerer det elektrokemiske miljø) til en analytisk teknik kaldet nuklear magnetisk resonans (NMR), de kan nøjagtigt spore Li-atomerne i den indre struktur af materialer, hvilket ikke er muligt ved brug af ex situ metoder.

Ved at bruge denne teknik, holdet havde tidligere haft held med at observere de overopladede tilstande af to typer negative elektroder - grafit- og hårdkulelektroder - i overlithiationsfasen af ​​en LIB. I den nye undersøgelse, de tog dette til næste niveau ved at observere tilstanden af ​​disse elektroder under lithiation og delithiation processen (batteriets opladnings- og afladningscyklus). Deres NMR-analyse hjalp dem med at spore den præcise begyndelsestid for dendritdannelse og Li-aflejring i det overopladede batteri, til både grafit- og hårdkulelektroderne. I grafit, de fandt, at Li-dendritterne dannes kort efter, at elektrodens fuldt lithierede fase indtræffer. I den hårde kulstofelektrode observerede de i modsætning hertil, at dendritter først dannes efter kvasimetalliske Li-klynger opstår i porerne i hårdt kul. Dermed, forskerne udledte, at når batteriet er overopladet, den kvasimetalliske Li-klyngedannelse fungerer som en buffer for dannelsen af ​​Li-dendritter i hårde kulstofelektroder. De anvendte endda den samme analyse på en anden type genopladeligt batteri, kaldet natriumionbatteri (NIB), og fandt lignende resultater. Dr. Gotoh forklarer, "Vi fandt ud af, at nogle kulstofmaterialer med indre porer (såsom amorft kulstof) har en buffereffekt for aflejring af Li- og Na-dendritter under overopladning af batterier. Denne viden vil spille en vigtig rolle i at sikre sikkerheden af ​​LIB'er og NIB'er."

Ved at afsløre forviklingerne af dendritdannelsesmekanismerne i LIB'er og NIB'er, Dr. Gotoh og hans team giver nyttig indsigt i deres sikkerhed. Faktisk, forskerne er optimistiske om, at deres resultater kan anvendes på andre typer genopladelige batterier i fremtiden. Dr. Gotoh konkluderer, "Vores resultater kan anvendes ikke kun på LIB'er og NIB'er, men også på næste generation af sekundære batterier, såsom alle solid-state batterier. Dette er et vigtigt skridt i at gøre deres praktiske anvendelse lettere."

Med resultaterne af denne nye undersøgelse, vi kan håbe, at vi muligvis er et skridt tættere på at realisere vores drøm om virkelig bæredygtige energiressourcer.