Forskere opdager, hvordan man forhindrer dendritdannelse i batterier

Nutidens batterier kan ikke optage al en vindmølleparks energi på en blæsende nat og holde den, indtil den er nødvendig næste dag. En lovende mulighed er at skabe et batteri med højere kapacitet ved at erstatte den negative elektrode i konventionelle batterier med et af lithiummetal. Problemet? Dendritter - aflejringer, der dannes på elektrodeoverflader under opladningsprocessen - får batterierne til at kortslutte, fører til alvorlige sikkerhedsrisici. For nylig, forskere opdagede, hvordan man forhindrer dannelse af dendrit. For første gang, et hold inklusive eksperter fra DOE's Pacific Northwest National Laboratory dyrkede beskyttende film omkring anoderne, der forhindrede dendritter i at dannes.

At transformere vores nations energiøkonomi betyder at finde bedre måder at lagre energi på. Resultaterne fra denne undersøgelse, gjort gennem DOE's Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), kunne hjælpe forskere med at designe en sikker og stabil metallisk lithiumanode og i sidste ende bane vejen for praktisk brug af batterisystemer med høj energitæthed til elektriske køretøjer og lagring af vedvarende energi.

Forskere fra Pacific Northwest National Laboratory, plus Harbin Institute of Technology, Wuhan Universitet, Tianjin Institute of Power Sources, og US Army Research Laboratory evaluerede effektiviteten af ​​et elektrolytadditiv kaldet cæsiumhexafluorphosphat (CsPF6) for at forbedre batteriets ydeevne og beskytte den negative elektrode eller anode.

Forskerne brugte højopløsnings scanningselektronmikroskopi med energidispersiv røntgenanalyse til at studere mikrostruktur og grundstofsammensætning, og højopløsnings røntgenfotoelektronspektroskopi for mere detaljeret kemisk karakterisering. Begge instrumenter er på EMSL, en DOE national videnskabelig brugerfacilitet.

CsPF6-additivet fremmede dendritfri vækst af film fremstillet af tætpakkede lithiumnanorods, som ligner en knytnæve tørre spaghetti nudler. Elektrolytadditivet fremmede også skabelsen af ​​et lithium-rigt fast elektrolyt-grænsefladelag. Dette komplekse lag dannes hurtigt fra nedbrydningsprodukterne i batteriets elektrolyt, stoffet i batterier, der fungerer som et medium til at lede lithiumioner mellem elektroder. Den kombinerede effekt af Cs+ additivet og SEI-laget bidrog til, at lithiumionerne blev jævnt aflejret på overfladen, fri for dendritter, under opladning. I øvrigt, lithiumfilmene forblev fri for dendritter efter gentagen opladning og brug, eller aflejring/stripping cyklusser.

Taget sammen, resultaterne viser, at CsPF6 fremmer ordnet og jævn vækst af lithiummetalfilm, beskytter anoden, og forbedrer batteriets ydeevne.

Forskerne fortsætter med at forstå de faktorer, der påvirker dannelsen og udviklingen af ​​SEI-laget og andre komponenter i batteriet for at stabilisere den langsigtede ydeevne af lithiummetal og andre metalanoder.