ORNL-mikroskopi afbilder direkte problematiske lithiumdendritter i batterier

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har taget de første real-time nanoskala billeder af lithium dendrit strukturer kendt for at nedbryde lithium-ion batterier. ORNL-teamets elektronmikroskopi kan hjælpe forskere med at løse mangeårige problemer relateret til batteriets ydeevne og sikkerhed.

Dendritter dannes, når metallisk lithium slår rod på et batteris anode og begynder at vokse tilfældigt. Hvis dendritterne bliver for store, de kan punktere skillevæggen mellem elektroderne og kortslutte cellen, resulterer i katastrofal batterifejl.

Forskerne studerede dendritdannelse ved at bruge en elektrokemisk miniaturecelle, der efterligner væskeforholdene inde i et lithium-ion-batteri. Anbringelse af den flydende celle i et scanningstransmissionselektronmikroskop og påføring af spænding til cellen gjorde det muligt for forskerne at se, hvordan lithiumaflejringer - der starter som et frø på nanometerstørrelse - voksede til dendritiske strukturer.

"Det giver os et nanoskopisk syn på, hvordan dendritter danner kerne og vokser, " sagde ORNLs Raymond Unocic, in situ mikroskopi teamleder. "Vi kan visualisere hele processen på en glasagtig kulstofmikroelektrode og observere, hvor dendritterne foretrækker at danne kerne og også spore morfologiske ændringer under vækst." Se en video af dendritvæksten nedenfor.

Ud over at afbilde strukturerne i høj opløsning, holdets mikroskopiteknik indsamlede præcise målinger af cellens elektrokemiske ydeevne. "Denne teknik giver os mulighed for at følge subtile strukturelle og kemiske ændringer i nanostørrelse, der opstår og endnu vigtigere, korrelere det med den målte ydeevne af et batteri, " sagde Robert Sacci, ORNL postdoc-forsker og hovedforfatter af Nano Letters-undersøgelsen.

Denne realtidsanalyse i et flydende miljø adskiller ORNL-teamets tilgang fra andre karakteriseringsmetoder.

"Normalt når du kører et batteri over mange opladnings-afladningscyklusser, du venter typisk, indtil tingene begynder at fejle, og på det tidspunkt udfører du en analyse af årsagsfejl, sagde Unocic. „Så ser du, at der er en dendrit - men hvad så? Nu hvor vi kan se præcis, hvordan dendritterne dannes ved hjælp af vores teknik, vi kan være proaktive og udtænke strategier til at hæmme eller reducere disse fænomener."

ORNL-teamet mener, at forskere, der eksperimenterer med forskellige måder at tackle dendritproblemet på, flydende tilsætningsstoffer eller stærkere separatorer, vil drage fordel af sin forskning.

"Hvis du ikke forstår den grundlæggende mekanisme for, hvorfor ting sker i dine enheder, du vil altid tænke, 'Hvorfor skete dette, og hvordan fikser jeg det?'" sagde Unocic. "Indtil du kommer ned på det mikroskopiske og nanoskopiske niveau for at se på den strukturelle og kemiske udvikling, der sker i cellerne - så kan du ikke rigtigt tage fat på dem. problemer, der dukker op."