Forskere studerer virkningen af ​​lithiumdendritter på katodematerialer

Genopladelige lithium (Li) batterier er de mest udbredte energilagringsenheder, der findes i forbrugerelektronik og elektriske køretøjer i dag. Der er udfordringer, selvom, at optimere deres kapacitet, genanvendelighed, og stabilitet. Under et Li-batteris opladnings-afladningscyklusser, stærkt lokaliserede Li-dendritter – strenge af Li, der vokser inde i batterier – kan danne og skade batteriets ydeevne.

"Lithiumdendritter er fine tråde, som knurhår, der kan komme i kontakt med katodematerialer og forårsage en kæde af irreversible, spontane kemiske reaktioner, " sagde Yingge Du, en forsker fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), som for nylig ledede en undersøgelse for at visualisere dette fænomen. "Det kan føre til præstationsfald, kortslutning, og sikkerhedsrisici, " han tilføjede.

Du og hans team forsøgte at lokalisere den nøjagtige fejlmekanisme. For at gøre det, de skulle præcist kontrollere, hvordan og hvornår Li-dendritterne kom i kontakt med katodematerialerne. Holdet brugte in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) til direkte at afbilde den strukturelle og kemiske udvikling af lithium cobalt oxid (LiCoO) ₂ ) tyndfilm katoder på Li dendrit kontakt. "LiCoO ₂ er stadig et af de mest udbredte katodematerialer, " sagde Du, "og at gøre det til veldefineret enkeltkrystallinsk form ved pulseret laseraflejring kan frigøre kraften ved avanceret elektronmikroskopi." Ved at bruge denne tilgang, forskere opdagede en uventet Li-udbredelsesvej og detaljerede reaktionstrin, der førte til katodesvigt.

Deres studie, "Direkte visualisering af Li Dendrite-effekt på LiCoO ₂ Cathode af In Situ TEM, " blev for nylig offentliggjort i Lille og vist på forsiden.

For at imødekomme de stigende krav til storskala energilagringsenheder, der er et presserende behov for, at forskere udvikler sig sikrere, genopladelige batterier med højere energiydelse. Li metal er blevet betragtet som et ideal, højkapacitets anodemateriale. Imidlertid, dets brug er stærkt hæmmet af dannelsen af ​​Li-dendritter, der kan trænge ind i separatoren – en permeabel membran placeret mellem et batteris anode og katode. Når først Li-dendritter er i direkte kontakt med katodematerialer, en kæde af irreversible, spontane kemiske reaktioner kan forekomme, fører til forringet ydeevne, kortslutning, og sikkerhedsrisici.

Mens der er gjort en betydelig indsats for at opdage, forstå, og forhindre Li-dendritdannelse i elektrolytterne, lidt er kendt om de detaljerede reaktionsveje, der involverer Li-metal og katodematerialer. At bygge bro over denne videnskløft kan give detektions- og designprincipper, der er afgørende for fremtidige energilagringsløsninger.

I dette studie, Du og hans team af forskere ved PNNL studerede Li-dendritter og deres virkning på katodematerialer. De søgte at forstå de detaljerede reaktionsveje, hvilket kan føre til udvikling af bedre Li-batterier.

Ved hjælp af pulseret laseraflejring, Du og hans team fremstillede veldefinerede, epitaksial LiCoO ₂ tynde film med kontrollerede krystallografiske orienteringer til at tjene som katodemodeller. En Li-metalspids blev brugt til at efterligne Li-dendritten inde i en TEM for at studere dens reaktion med forberedt LiCoO ₂ prøver.

Avancerede mikroskopi- og spektroskopiteknikker – herunder scanningstransmissionselektronspektroskopi, nanostrålediffraktion, og elektron-energitabsspektroskopi - gjorde det muligt at undersøge sådanne reaktioner med høj rumlig og tidsmæssig opløsning. I kombination med tæthedsfunktionsteoretiske beregninger, forskere belyst reaktionstrinene, mellemprodukter, og slutprodukter på et hidtil uset niveau. En uventet Li-diffusionsretning vinkelret på de Li-holdige planer blev fundet, som rev LiCoO ₂ krystal fra hinanden, generere store mængder af korngrænser og antifasegrænser. Mens Co-metal og Li2O blev fundet at være slutprodukterne af den fulde omdannelsesreaktion, CoO blev identificeret som et metastabilt mellemprodukt ved reaktionsfronten som et resultat af let faseovergang fra LiCoO ₂ .

"De afslørede reaktionstrin og mellemprodukter giver en klar fejlmekanisme for LiCoO ₂ katoder forårsaget af Li-dendritter, og kan også give indsigt i overudladningsprocesserne i katoder, " bemærkede Du.

Fortsætter dette arbejde, Du's team har til hensigt at fremstille faststof-batterier ved hjælp af flertrinsdeponeringsprocesser ved hjælp af pulseret laseraflejring for bedre at forstå iontransportprocesserne på tværs af de veldefinerede grænseflader.