En ny metode til undersøgelse af lithiumdendritter kan føre til bedre, sikrere batterier

Litiumionbatterier vokser ofte nålelignende strukturer mellem elektroder, der kan kortslutte batterierne og nogle gange forårsage brand. Nu, et internationalt team af forskere har fundet en måde at vokse og observere disse strukturer for at forstå måder at stoppe eller forhindre deres udseende på.

"Det er svært at opdage kimdannelsen af ​​en sådan knurhår og observere dens vækst, fordi den er lille, "sagde Sulin Zhang, professor i maskinteknik, Penn State. "Lithiums ekstremt høje reaktivitet gør det også meget svært at eksperimentelt undersøge dets eksistens og måle dets egenskaber."

Lithium whiskers og dendritter er nålelignende strukturer med kun få hundrede nanometer i tykkelse, der kan vokse fra lithiumelektroden gennem enten flydende eller faste elektrolytter mod den positive elektrode, kortslutning af batteriet og nogle gange forårsage brand.

Samarbejdsteamet fra Kina, Georgia Tech og Penn State dyrkede med succes lithium -whiskers inde i et miljømæssigt transmissionselektronmikroskop (ETEM) ved hjælp af en kuldioxidatmosfære. Reaktionen af ​​kuldioxid med lithium danner et oxidlag, der hjælper med at stabilisere whiskers.

De rapporterer deres resultater online denne uge i Naturnanoteknologi . Papiret "afslører vækst og stressgenerering af lithiumhvalhår af ETEM-AFM in situ."

Innovativt, holdet brugte en atomkraftmikroskop (AFM) spids som en modelektrode, og den integrerede ETEM-AFM teknik tillader samtidig billeddannelse af whiskers vækst og måling af vækstspændingen. Hvis vækststresset er for højt, det ville trænge ind og bryde den faste elektrolyt og tillade whiskers at fortsætte med at vokse og til sidst kortslutte cellen.

"Nu hvor vi kender grænsen for vækststresset, vi kan konstruere de faste elektrolytter i overensstemmelse hermed for at forhindre det, "Sagde Zhang. Lithium-metalbaserede hel-solid-state batterier er ønskelige på grund af større sikkerhed og højere energitæthed.

Denne nye teknik vil blive hilst velkommen af ​​mekanik- og elektrokemisamfundene og være nyttig i mange andre applikationer, Sagde Zhang.

Næste op for teamet er at se på dendrit, da det dannes mod en mere realistisk solid-state elektrolyt under TEM for at se præcis, hvad der sker.