Används i allt från elfordon till bärbara datorer, litiumbatteriet finns överallt, men det är inte väl förstått på atomär skala. För att se vad som händer på nanoskala, forskare vid DOE:s Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) designade och implementerade en liten enhet, känt som ett operando-elektrokemiskt stadium. Genom att använda detta steg inuti ett toppmodernt aberrationskorrigerat transmissionselektronmikroskop kan de ta bilder i nanoskalaupplösning av litiumjoner när de avsätts på eller löses upp från en elektrod medan batteriet går.

Med den nya scenen, forskare kan direkt avbilda förändringar när de inträffar. De nya bilderna möjliggör exakta mätningar och beskrivningar av vad som händer inuti batteriet. Denna information är avgörande för att kontrollera prestanda- och säkerhetsbegränsande processer. Nu, forskare kan snabbt visualisera och testa nya parningar av elektroder och elektrolyter (se Batteri 101). Det nya stadiet kommer att hjälpa till att snabbt sortera igenom alternativ för längre varaktighet, säkrare batterier.

Det har varit svårt att gå bortom det nuvarande industristandarden litiumjonbatteri. I litium-luft och andra mönster, interaktioner vid elektrod-elektrolytgränssnitten påverkar batteriets prestanda och säkerhet. För att förstå reaktionerna, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory, som en del av JCESR, skapade ett operando elektrokemiskt skede. Använder den i ett aberrationskorrigerat sveptransmissionselektronmikroskop, Forskare kan nu kemiskt avbilda gränssnittet mellan platinaanoden och elektrolyten under batteridrift.

Bildmetoden belyser solid litiummetall, identifierar det unikt från komponenterna som utgör det skyddande fast-elektrolyt-interfasskiktet. Med hjälp av dessa bilder och standard elektrokemiska data, forskare kan kvantifiera, på nanoskala, mängden litium som hamnar irreversibelt avsatt efter varje laddnings-/urladdningscykel. Det betyder att de kan se dendriter - de mikroskopiska taggar som får batterier att misslyckas - när de bildas.

Tekniken visar också tillväxten av fast-elektrolyt-interfasskiktet, som sveper runt och skyddar anoden. Skiktet bildas som ett resultat av att elektrolyten bryts ner. I sina studier, teamet fann att förlängd battericykling leder till att litium växer under lagret - uppkomsten av dendriterna som har konsekvenser för batterisäkerhet och prestanda.

Detta nya bildverktyg öppnar upp möjligheter att snabbt visualisera och testa elektrod/elektrolytparningar för nya batterisystem. Dessa system skulle kunna göra det möjligt för elbilar att färdas stora avstånd mellan laddningarna. Också, en dag, sådana system kan lagra energi från vind- och solstationer, gör den intermittenta energin tillgänglig vid behov.

Batteri 101

De flesta laddningsbara batterier som används idag är litiumjonbatterier, som har två elektroder:en som är positivt laddad och innehåller litium och en annan, negativ som vanligtvis är gjord av grafit. Elektricitet genereras när elektroner strömmar genom en tråd som förbinder de två. För att kontrollera elektronerna, positivt laddade litiumatomer blandas från en elektrod till den andra genom en annan väg:elektrolytlösningen som elektroderna sitter i. Men grafit har en låg energilagringskapacitet, begränsa mängden energi som ett litiumjonbatteri kan ge smarta telefoner och elfordon.

När litiumbaserade uppladdningsbara batterier först utvecklades på 1970-talet, forskare använde litium för den negativa elektroden, som också är känd som en anod. Litium valdes eftersom det har tio gånger mer energilagringskapacitet än grafit. Problemet var, den litiumbärande elektrolyten reagerade med litiumanoden. Detta fick mikroskopiska litiumdendriter att växa och ledde till att de tidiga batterierna misslyckades.

Många har anpassat uppladdningsbara batterier genom åren i ett försök att lösa dendritproblemet. I början av 1990-talet forskare bytte till andra material som grafit för anoden. På senare tid, forskare har också belagt anoden med ett skyddande lager, medan andra har skapat elektrolyttillsatser. Vissa lösningar eliminerade dendriter, men resulterade också i opraktiska batterier med lite kraft. Andra metoder bara saktade ner, men slutade inte, fiberns tillväxt.