Nedbrydningsmekanismer afdækket i li-ion batterielektrolytter

(Phys.org)-Et team ledet af Pacific Northwest National Laboratory har afdækket oplysninger om batterier med høj efterspørgsel, der kan forbedre en væsentlig komponent, der påvirker deres ydeevne og levetid. Forskerne karakteriserede stabiliteten og sammenkoblede nedbrydningsmekanismer i elektrolytter, der almindeligvis bruges til lithium-ion, eller Li-ion, batterier. De opnåede detaljerede kemiske billeddannelsesdata ved hjælp af et miljømæssigt væskestadium i et scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM).

For at udvikle nye batteriteknologier, nye elektrolytter med øget elektrokemisk stabilitet er nødvendige, fortrinsvis faste elektrolytter, såsom uorganiske eller saltkomplekser. At finde disse elektrolytter kræver ikke-invasive værktøjer, der kan bruges in situ på det aktive partikelstørrelsesniveau-nanoskalaen-for at observere de processer, der opstår under batteridrift. I dette studie, forskerne brugte STEM.

"I øjeblikket, STEM er den eneste eksperimentelle teknik, der giver information på nanoskalaen under drift af lithium-ion-batterier, "sagde Dr. Nigel Browning, Chief Science Officer for PNNL's Chemical Imaging Initiative. "In situ-væskestadiet i et STEM gør det muligt at karakterisere reaktionerne inde i et batteri i realtid. Denne undersøgelse er et principbevis for STEM-tilgangen, der undgår standard post-mortem-analyse af lithiumelektrolytnedbrydningsprodukter."

Den detaljerede karakterisering, der tilbydes af STEM i flydende fase, kan give unik indsigt i elektrolytadfærd, enten til brug i fremtidige in situ batteriundersøgelser eller til test af nye elektrolytter, vinde biblioteket med kandidatløsninger til yderligere karakterisering og reducere den eksperimentelle tid, der bruges på mindre effektive elektrolytter.

I deres undersøgelse, forskerne undersøgte stabiliteten af ​​fem forskellige elektrolytter, der sædvanligvis bruges til Li-ion- og LiO2-batteriapplikationer:tre, der indeholdt lithiumhexafluorarsenatsalt, en, der indeholder lithiumhexafluorphosphat, og en, der indeholder lithiumtriflat.

Forskerne placerede miniaturemiljøkamre med forskellige elektrolytter i stien til STEM's elektronstråle. Ved at lade elektrolytterne undersøges i flydende tilstand, selv når det indsættes i mikroskopets højvakuum, disse kamre simulerede, hvad der findes inde i et faktisk batteri. Derefter, elektronstrålen forårsagede en lokaliseret elektrokemisk reaktion inde i flydende celle, der fremskyndede elektrolytnedbrydning-nedbrydningen af ​​en række uorganiske/saltkomplekser. Mikroskopet erhvervede billeder i realtid med nanoskala-opløsning, viser de tidligste stadier af skaderukleation.

Forskerne brugte også elektronenergitabspektroskopi til at kontrollere tilstedeværelsen af ​​elektrolytten og måle andre eksperimentelle parametre.

"Hver elektrolyt opførte sig forskelligt i analysen, "sagde Dr. Patricia Abellan, en PNNL postdoktor og materialeforsker. "Stabiliteten af ​​de her undersøgte elektrolytter korrelerer med elektrokemiske tendenser rapporteret i litteraturen, hvilket tyder på, at denne teknik potentielt kan give ny indsigt i de reduktions- og nedbrydningsprocesser, der finder sted under driften af ​​lithium-ion-batterier. "

Når virkningen af ​​billeddannelseselektronerne er fuldt kalibreret, denne tilgang kunne potentielt give indsigt i de nedbrydningsmekanismer, der opstår i de første faser af fast elektrolytinterfase, eller SEI, dannelse, som elektrisk isolerer elektrolytten og forhindrer yderligere forringelse.

"En dag i den nærmeste fremtid, in situ STEM kunne bruges til at studere forskellige processer gennem direkte visualisering og i realtid, "Abellan sagde." Vi kunne bruge det til at optimere nuværende state-of-the-art og næste generations elektrolytter. "