Forskere udpeger årsagen til skadelige dendritter og knurhår i lithiumbatterier

Forskere har afsløret en grundlæggende årsag til væksten af ​​nålelignende strukturer - kendt som dendritter og knurhår - der plager lithiumbatterier, nogle gange forårsager kortslutning, fiasko, eller endda en brand.

Holdet, ledet af Chongmin Wang ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, har vist, at tilstedeværelsen af ​​visse forbindelser i elektrolytten - det flydende materiale, der gør et batteris kritiske kemi mulig - foranlediger væksten af ​​dendritter og knurhår. Holdet håber, at opdagelsen vil føre til nye måder at forhindre deres vækst ved at manipulere batteriets ingredienser. Resultaterne blev offentliggjort online 14. oktober in Natur nanoteknologi .

Dendritter er små, stive trælignende strukturer, der kan vokse inde i et lithiumbatteri; deres nålelignende fremspring kaldes knurhår. Begge forårsager enorm skade; især, de kan gennembore en struktur kendt som separatoren inde i et batteri, meget ligesom et ukrudt kan stikke gennem en betonterrasse eller en asfalteret vej. De øger også uønskede reaktioner mellem elektrolytten og lithium, fremskynde batterisvigt. Dendritter og knurhår holder den udbredte brug af lithiummetalbatterier tilbage, som har højere energitæthed end deres almindeligt anvendte lithium-ion-modstykker.

PNNL-holdet fandt ud af, at oprindelsen af ​​whiskers i et lithiummetalbatteri ligger i en struktur kendt som "SEI" eller solid-elektrolyt-interfase, en film, hvor anodens faste lithiumoverflade møder den flydende elektrolyt. Yderligere, forskerne pegede på en synder i vækstprocessen:ethylencarbonat, et uundværligt opløsningsmiddel tilsat elektrolytten for at forbedre batteriets ydeevne.

Det viser sig, at ethylencarbonat efterlader batteriet sårbart over for beskadigelse.

Fanger hurtig bevægelse inde i lithium-batterier

Holdets resultater omfatter videoer, der viser trin-for-trin væksten af ​​et knurhår inde i et lithiummetalbatteri i nanostørrelse, der er specielt designet til undersøgelsen.

En dendrit begynder, når lithiumioner begynder at klumpe sig, eller "kernedannende, "på overfladen af ​​anoden, danner en partikel, der betyder fødslen af ​​en dendrit. Strukturen vokser langsomt, efterhånden som flere og flere lithiumatomer glomer på, vokser på samme måde, som en stalagmit vokser fra gulvet i en hule. Holdet fandt ud af, at energidynamikken på overfladen af ​​SEI skubber flere lithiumioner ind i den langsomt voksende søjle. Derefter, pludselig, et knurhår skyder frem.

Det var ikke let for holdet at fange handlingen. For at gøre det, forskere integrerede et atomkraftmikroskop (AFM) og et miljøtransmissionselektronmikroskop (ETEM), et højt værdsat instrument, der gør det muligt for forskere at studere et driftsbatteri under virkelige forhold.

Holdet brugte AFM til at måle knurhårens lille kraft, mens den voksede. På samme måde som en læge måler en patients håndstyrke ved at bede patienten om at skubbe opad mod lægens udstrakte hænder, PNNL-teamet målte kraften af ​​det voksende knurhår ved at skubbe ned på dets spids med AFM's cantilever og måle kraften, som dendritten udøvede under sin vækst.

Opskriften på elektrolyt

Holdet fandt, at niveauet af ethylencarbonat direkte korrelerer med dendrit- og whiskervækst. Jo mere af materialet holdet puttede i elektrolytten, jo mere knurhårene voksede. Forskerne eksperimenterede med elektrolytblandingen, ændring af ingredienser i et forsøg på at reducere dendritter. Nogle ændringer, såsom tilsætning af cyclohexanon, forhindrede væksten af ​​dendritter og knurhår.

"Vi ønsker ikke blot at undertrykke væksten af ​​dendritter; vi ønsker at komme til den grundlæggende årsag og eliminere dem, " sagde Wang, en tilsvarende forfatter af papiret sammen med Wu Xu. "Vi trak på ekspertisen fra vores kolleger, som har ekspertise inden for elektrokemi. Mit håb er, at vores resultater vil anspore samfundet til at se på dette problem på nye måder. Det er klart, mere forskning er nødvendig."

At forstå, hvad der får knurhår til at starte og vokse, vil føre til nye ideer til at eliminere dem eller i det mindste kontrollere dem for at minimere skader, tilføjede førsteforfatter Yang He. Han og holdet sporede, hvordan knurhår reagerer på en forhindring, enten knæk, hvilket giver, knæk, eller stopper. En større forståelse kunne hjælpe med at rydde vejen for den brede brug af lithiummetalbatterier i elbiler, bærbare computere, mobiltelefoner, og andre områder.