Udbrud af elektroder:Hvordan genopladning efterlader mikroskopisk affald inde i batterier (m/ video)

Et udbrud af lithium i spidsen af ​​et batteris elektrode, revner i elektrodenes krop, og en frakke, der dannes på elektrodeoverfladen, afslører, hvordan opladning af et batteri mange gange fører til dets død.

Ved hjælp af et kraftfuldt mikroskop til at se flere cykler med opladning og afladning under reelle batteriforhold, forskere har fået indsigt i kemien, der tilstopper genopladelige litiumbatterier. Arbejdet, fremgår af martsudgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver , vil hjælpe forskere med at designe billigere og kraftigere genopladelige batterier med metaller mere almindelige og sikrere end litium.

"Dette værk er det første visuelle bevis på, hvad der fører til dannelsen af ​​lithiumdendritter, nanopartikler og fibre, der almindeligvis findes i genopladelige lithiumbatterier, der ophobes over tid og fører til batterisvigt, "sagde hovedforsker Nigel Browning, en fysiker ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory.

Dendrit nød

Som enhver med en døende mobiltelefon ved, det ville være rart, hvis genopladelige batterier havde mere strøm, varede længere og var billigere. At løse disse problemer kan også gøre elektriske køretøjer og vedvarende energi mere attraktive. Brug af metaller som magnesium eller aluminium i stedet for lithium kan forbedre batteriets levetid og omkostninger, men forskning og udvikling inden for genopladelige ikke-lithium halter langt bagefter de almindelige kommercielle lithium-ion-produkter.

For at fremskynde udviklingen af ​​genopladelige batterier, DOE finansierede Joint Center for Energy Storage Research, et samarbejde mellem flere nationale laboratorier, universiteter og private virksomheder. Multidisciplinære teams af forskere undersøger en række problemer, håber at overvinde dem ved at forstå de underliggende kemiske principper.

For eksempel, genopladelige batterier lider under væksten af ​​dendritter, mikroskopisk, pin-lignende fibre, der påvirker batteriets elektroder. For nylig, JCESR -forskere ledet af PNNL opdagede en måde at eliminere dendritter i litiumbatterier ved hjælp af en speciel elektrolyt. For bedre at forstå, hvordan dendritter dannes og kan forhindres på mikroskopisk niveau, et andet JCESR -team ledet af PNNLs Nigel Browning udtænkte et mikroskop, der kunne undersøge et fuldt fungerende batteri i aktion.

I modsætning til andre synspunkter på batteriets indre funktion ved høj forstørrelse, hvoraf de fleste kun bruger en del af et batteri eller skal studere dem under tryk, der typisk ikke bruges i batterier, Browning -teamet oprettede en komplet fungerende battericelle under normale driftsforhold.

"Dette er et meget spændende arbejde, "sagde første forfatter Layla Mehdi." Vi konstruerede et rigtigt fungerende batteri inde i transmissionselektronmikroskopet. Fordelen er, at vi direkte kan observere alle de kemiske reaktioner ved elektrolyt-elektrode-grænsefladen i realtid, som de sker under cykling af batteriet. "

Mikroskopisk ch-ch-ch-opladning

At gøre det, holdet måtte tilpasse transmissionselektronmikroskoper til deres behov. I særdeleshed, de var nødt til at overvinde den skade, som mikroskopets højenergistråle forårsagede:Elektronmikroskoper bruger elektronstråler til at visualisere, hvad der er i synsfeltet, ligesom et almindeligt mikroskop bruger lys. Holdet bestemte den optimale måde at skinne strålen på, før de fik skade. Dette gjorde det muligt for forskerne at oplade og aflade det lille batteri gentagne gange og være sikret, at de ændringer, de så under omfanget, skyldtes batteridrift og ikke selve strålen.

Deres eksperimentelle batteri havde en platinelektrode og en almindeligt brugt batterivæskeelektrolyt kaldet lithiumhexafluorphosphat i propylencarbonat. Elektrolytens positivt ladede lithiumioner har til opgave at samle sig ved platinelektroden, når batteriet oplades, hvor de holder fast i elektriciteten, indtil batteriet er brugt.

Og litiumionerne gjorde deres arbejde. Da teamet pumpede elektroner ind i batteriet, lithiumionerne flokkedes til elektroden, som så ud til at vokse hårstykker som et Chia -kæledyr fra 1970'erne.

Ved afladning af batteriet tømmes tuerne, men ikke helt. Yderligere analyse afslørede, at de resterende tuer kun kunne være lithiummetal baseret på deres lave densitet sammenlignet med de almindeligt rapporterede elektrolytnedbrydningsprodukter. Tab af gratis lithiumioner til disse klumper af "dødt lithium" reducerer batteriets ydeevne.

Ud over, udladning af venstre revner på elektroden. Flere cyklusser med opladning og afladning fik flere revner til at vokse og dødt lithium ophobes, nogle inden i elektrolytten og nogle på overfladen af ​​elektroden.

Vigtigere, forskerne var i stand til at måle væksten af ​​et velkendt lag på elektrodeoverfladen, der forstyrrer ydeevnen. Kaldte SEI for fast-elektrolyt-interfase, dette lag dannes på grund af interaktioner mellem lithium og elektrolytten. Til sidst forhindrer SEI, at batteriet oplades. Den mikroskopiske billeddannelse afslørede, hvor hurtigt laget dannede sig og hvor.

Selvom disse eksperimenter lærte dem om lithiumadfærd, Browning sagde, at han er mere begejstret for at anvende teknologien til at studere andre metalanoder, metaller såsom magnesium, kobber og andre, der kan føre til en ny generation af batterisystemer.

"Når du kan forestille dig dette, " han sagde, "hvorfor cykle et batteri i dage og dage og dage, når du ved, hvor hurtigt batteriet afgår? Nu kan vi reducere cyklen og gå videre til test af individuelle egenskaber ved nye batterikemikalier."