Ny enhed tager billeder af lithiumbatteriet, mens det fungerer og genoplades

Anvendes i alt fra elbiler til bærbare computere, lithiumbatteriet er allestedsnærværende, men det er ikke godt forstået på atomskalaen. For at se, hvad der sker på nanoskalaen, forskere ved DOE's Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) designet og implementerede en lille enhed, kendt som et operando elektrokemisk stadium. Ved at bruge dette trin inde i et avanceret aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskop kan de tage billeder i nanoskala-opløsning af lithiumioner, når de aflejres på eller opløses af en elektrode, mens batteriet kører.

Med den nye scene, videnskabsmænd kan direkte afbilde ændringer, når de opstår. De nye billeder tillader præcise målinger og beskrivelser af, hvad der sker inde i batteriet. Disse oplysninger er afgørende for at kontrollere ydeevne- og sikkerhedsbegrænsende processer. Nu, forskere kan hurtigt visualisere og teste nye parringer af elektroder og elektrolytter (se batteri 101). Den nye fase vil hjælpe med hurtigt at sortere gennem muligheder for længerevarende, sikrere batterier.

Det har været svært at bevæge sig ud over det nuværende industristandard lithium-ion-batteri. I lithium-luft og andre designs, interaktioner ved elektrode-elektrolyt-grænseflader påvirker batteriets ydeevne og sikkerhed. For at forstå reaktionerne, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory, som en del af JCESR, skabte en operando elektrokemisk fase. Ved at bruge det i et aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop, forskere kan nu kemisk afbilde grænsefladen mellem platinanoden og elektrolytten under batteridriften.

Billedmetoden fremhæver solidt lithiummetal, identificerer det unikt fra komponenterne, der udgør det beskyttende fast-elektrolyt-interfaselag. Ved at bruge disse billeder og standard elektrokemiske data, videnskabsmænd kan kvantificere, på nanoskala, mængden af ​​lithium, der ender irreversibelt aflejret efter hver opladning/afladningscyklus. Det betyder, at de kan se dendritter - de mikroskopiske torne, der får batterier til at svigte - når de dannes.

Teknikken viser også væksten af ​​fast-elektrolyt-interfaselaget, som vikler sig rundt og beskytter anoden. Laget dannes som følge af, at elektrolytten nedbrydes. I deres studier, holdet fandt ud af, at forlænget battericykling fører til, at lithium vokser under laget - tilblivelsen af ​​dendritterne, der har konsekvenser for batteriets sikkerhed og ydeevne.

Dette nye billedværktøj åbner muligheder for hurtigt at visualisere og teste elektrode/elektrolyt-parringer for nye batterisystemer. Disse systemer kunne gøre det muligt for elbiler at rejse store afstande mellem opladninger. Også, en dag, sådanne systemer kunne lagre energi fra vind- og solcellestationer, gør den intermitterende energi tilgængelig, når det er nødvendigt.

Batteri 101

De fleste af de genopladelige batterier, der bruges i dag, er lithium-ion-batterier, som har to elektroder:en der er positivt ladet og indeholder lithium og en anden, negativ, der typisk er lavet af grafit. Elektricitet genereres, når elektroner strømmer gennem en ledning, der forbinder de to. For at kontrollere elektronerne, positivt ladede lithiumatomer blander sig fra den ene elektrode til den anden gennem en anden vej:elektrolytopløsningen, hvori elektroderne sidder. Men grafit har en lav energilagringskapacitet, begrænse mængden af ​​energi, et lithium-ion-batteri kan levere til smartphones og elektriske køretøjer.

Da lithium-baserede genopladelige batterier først blev udviklet i 1970'erne, forskere brugte lithium til den negative elektrode, som også er kendt som en anode. Lithium blev valgt, fordi det har ti gange mere energilagringskapacitet end grafit. Problemet var, den lithiumbærende elektrolyt reagerede med lithiumanoden. Dette fik mikroskopiske lithiumdendritter til at vokse og fik de tidlige batterier til at svigte.

Mange har tilpasset genopladelige batterier gennem årene i et forsøg på at løse dendritproblemet. I begyndelsen af ​​1990'erne, forskere skiftede til andre materialer såsom grafit til anoden. For nylig, forskere har også belagt anoden med et beskyttende lag, mens andre har skabt elektrolyttilsætningsstoffer. Nogle løsninger eliminerede dendritter, men resulterede også i upraktiske batterier med lidt strøm. Andre metoder bremsede kun, men stoppede ikke, fiberens vækst.