Gränssnittet mellan den fasta anoden och den flytande elektrolyten spelar en avgörande roll i prestandan hos ett litium-metallbatteri, men att karakterisera de processer som sker i den korsningen har varit en utmaning.

För att studera anodens yta, i allmänhet avlägsnas den flytande elektrolyten och ytan tvättas och torkas före analys. Men denna tvättning och torkning förändrar i grunden gränsytans struktur och kemi; för att få en korrekt bild av gränssnittet, den måste ses i sitt naturliga tillstånd.

Forskare i Lena Kourkoutis labb, biträdande professor i tillämpad och teknisk fysik, har utvecklat och demonstrerat en teknik för direkt visualisering av fast-vätskegränssnitt i ett försök att bättre förstå ett stort problem med Li-metallbatterier:dendrittillväxt på anoden, som kan orsaka kortslutning och, i extrema fall, katastrofalt batterifel.

Michael Zachman, Ph.D. '18, en medlem av Kourkoutis lab, är huvudförfattare till "Cryo-STEM Mapping of Solid-Liquid Interfaces and Dendrites in Li-Metal Batteries, " som kommer att publiceras 16 augusti i Natur .

Viktiga bidrag gjordes av Lynden Archers labb, James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. Zhengyuan Tu, Ph.D. '17, och Snehashis Choudhury, Ph.D. '18, båda i Archer-gruppen, konstruerade och analyserade prestandan hos de batterier som användes i studien.

Metoden som utvecklats av Kourkoutis labb innebär snabb frysning av elektrolyten på elektroden, och en svit av kryogena mikroskopitekniker för att analysera morfologiska, kemisk och strukturell information vid gränssnittet fast-vätska. Detta arbete har konsekvenser för system långt bortom energilagring, säger forskarna.

"Tekniken vi utvecklade tillåter oss egentligen bara att ha en oförvrängd bild av vad som händer vid dessa mycket komplexa gränssnitt, " sade Kourkoutis. "Och det är nyckeln för att förstå inte bara det specifika gränssnittet, men också konsekvenserna av de reaktioner eller processer som inträffar."

Kourkoutis sa att detta arbete var inspirerat av hennes erfarenhet i ett biologilabb vid Max Planck-institutet i Tyskland, där hon använde en metod som heter cryo-FIB (fokuserad jonstråle) för att titta på processer inuti celler. Hos Cornell, hennes grupp anpassade cryo-FIB för fast-vätskegränssnitt och kombinerade det med cryo-STEM (scanning transmission elektronmikroskopi) för att komma åt den intakta strukturen av dendriter på nanoskala.

För detta arbete, myntcellsbatterier öppnades och elektroden störtade omedelbart ned i en kryogen för att snabbt frysa och bevara strukturen. Zachman, vem förberedde proverna och utförde experimenten, upptäckte två distinkta typer av dendriter på anodytan:Typ I var relativt stor (ungefär 5 mikron tvärs över) med låg krökning; typ II var hundratals nanometer tjock och slingrig.

Dessutom, dendriterna av typ I uppvisade en förlängd fast-elektrolyt-interfas (SEI) – ett mjukt lager som anses vara en föregångare till dendrittillväxt – cirka 300 till 500 nanometer tjockt, mycket större än vad som tidigare observerats. Upptäckten av detta lager – som studien tyder på att det mesta går förlorat under tvätt och torkning som krävs i traditionell analys – signalerar att mer litium irreversibelt går förlorat till SEI-lagret än vad man tidigare trott.

Gruppens teknik avslöjade också att dendriterna av typ II var sammansatta av litiumhydrid. "Endast dendriter som består av litiummetall antogs finnas i batterier, " sa Zachman, "och nu ser vi att det faktiskt finns litiumhydriddendriter också, och de borde ha betydande prestandaeffekter på batteriet."

Archer sa att dessa upptäckter borde hjälpa till att ge "viktiga ledtrådar om hur man kan närma sig kemisk design av batterielektrolyter."

Samarbetet mellan grupperna Kourkoutis och Archer härrörde från ett gemensamt förslag skrivet för att säkra 2,7 miljoner dollar från National Science Foundation för att skaffa det sveptransmissionselektronmikroskop som används i denna forskning.

"Detta är en enastående demonstration av arvet från radikala samarbeten som har kommit att definiera materialvetenskaplig forskning vid Cornell, och som skiljer Cornell från sina kamrater som platsen att utföra sådant arbete, sa Archer.