En forskargrupp ledd av University of California San Diego har upptäckt grundorsaken till varför litiummetallbatterier misslyckas - bitar av litiummetallavlagringar bryter av från anodens yta under urladdning och fångas som "dött" eller inaktivt litium som batteriet kan inte längre komma åt.

Upptäckten, publicerad 21 augusti in Natur , utmanar den konventionella uppfattningen att litiummetallbatterier misslyckas på grund av tillväxten av ett lager, kallas den fasta elektrolytinterfasen (SEI), mellan litiumanoden och elektrolyten. Forskarna gjorde sin upptäckt genom att utveckla en teknik för att mäta mängden inaktiva litiumarter på anoden - en första inom området batteriforskning - och studera deras mikro- och nanostrukturer.

Resultaten kan bana väg för att ta upp laddningsbara litiummetallbatterier från labbet till marknaden.

"Genom att ta reda på den största bakomliggande orsaken till litiummetallbatterifel, vi kan rationellt komma på nya strategier för att lösa problemet, " sa första författaren Chengcheng Fang, en materialvetenskap och ingenjör Ph.D. student vid UC San Diego. "Vårt slutmål är att möjliggöra ett kommersiellt gångbart litiummetallbatteri."

Litiummetallbatterier, som har anoder av litiummetall, är en viktig del av nästa generations batteriteknik. De lovar dubbelt så mycket energitäthet som dagens litiumjonbatterier (som vanligtvis har anoder gjorda av grafit), så att de kunde hålla längre och väga mindre. Detta skulle potentiellt kunna fördubbla räckvidden för elfordon.

Men ett stort problem med litiummetallbatterier är låg Coulombic effektivitet, vilket innebär att de genomgår ett begränsat antal cykler innan de slutar fungera. Det beror på att när batteriet cyklar, dess förråd av aktivt litium och elektrolyt töms.

Batteriforskare har länge misstänkt att detta beror på tillväxten av det fasta elektrolytinterfasskiktet (SEI) mellan anoden och elektrolyten. Men även om forskare har utvecklat olika sätt att kontrollera och stabilisera SEI-skiktet, de har fortfarande inte helt löst problemen med litiummetallbatterier, förklarade seniorförfattaren Y. Shirley Meng, en nanoteknikprofessor vid UC San Diego.

"Cellerna misslyckas fortfarande eftersom det bildas mycket inaktivt litium i dessa batterier. Så det finns en annan viktig aspekt som förbises, sa Meng.

De skyldiga, Meng, Fang och kollegor hittade, är litiummetallavlagringar som bryter av anoden när batteriet laddas ur och sedan fastnar i SEI-skiktet. Där, de tappar sin elektriska anslutning till anoden, blir inaktivt litium som inte längre kan cyklas genom batteriet. Detta fångade litium är till stor del ansvarig för att sänka cellens Coulombic effektivitet.

Mätning av ingredienserna i inaktivt litium

Forskarna identifierade boven genom att skapa en metod för att mäta hur mycket oreagerad litiummetall som fastnar som inaktivt litium. Vatten tillsätts till en förseglad kolv som innehåller ett prov av inaktivt litium som bildades på en cyklisk halvcell. Eventuella bitar av oreagerad litiummetall reagerar kemiskt med vatten för att producera vätgas. Genom att mäta hur mycket gas som produceras, forskare kan beräkna mängden instängd litiummetall.

Inaktivt litium består också av en annan komponent:litiumjoner, som är byggstenarna i SEI-lagret. Deras mängd kan också beräknas helt enkelt genom att subtrahera mängden oreagerad litiummetall från den totala mängden inaktivt litium.

I tester på litiummetallhalvceller, forskare fann att oreagerad litiummetall är huvudingrediensen i inaktivt litium. När mer av det bildas, desto lägre sjunker Coulombic-effektiviteten. Under tiden, mängden litiumjoner från SEI-skiktet förblir konsekvent låg. Dessa resultat observerades i åtta olika elektrolyter.

"Detta är ett viktigt fynd eftersom det visar att den primära felprodukten för litiummetallbatterier är oreagerat metalliskt litium istället för SEI, " Fang sa. "Detta är en pålitlig metod för att kvantifiera de två komponenterna i inaktivt litium med ultrahög noggrannhet, vilket inget annat karaktäriseringsverktyg har kunnat göra."

"Den aggressiva kemiska naturen hos litiummetall har gjort denna uppgift mycket utmanande. Parasitiska reaktioner av många olika typer inträffar samtidigt på litiummetall, vilket gör det nästan omöjligt att skilja dessa olika typer av inaktivt litium, sa Kang Xu, vars team vid U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory tillhandahöll en av de avancerade elektrolytformuleringarna för att testa metoden. "Den avancerade metodiken som etablerats i detta arbete ger ett mycket kraftfullt verktyg för att göra detta på ett exakt och tillförlitligt sätt."

Forskarna hoppas att deras metod kan bli den nya standarden för att utvärdera effektiviteten i litiummetallbatterier.

"Ett av problemen som batteriforskare möter är att testförhållandena är väldigt olika mellan laboratorier, så det är svårt att jämföra data. Det är som att jämföra äpplen med apelsiner. Vår metod kan göra det möjligt för forskare att avgöra hur mycket inaktivt litium som bildas efter elektrokemisk testning, oavsett vilken typ av elektrolyt eller cellformat de använder, sa Meng.

En närmare titt på inaktivt litium

Genom att studera mikro- och nanostrukturerna hos litiumavlagringar i olika elektrolyter, forskarna svarar på en annan viktig fråga:varför vissa elektrolyter förbättrar Coulombic effektivitet medan andra inte gör det.

Svaret har att göra med hur litium avsätts på anoden när cellen laddas. Vissa elektrolyter gör att litium bildar mikro- och nanostrukturer som ökar cellens prestanda. Till exempel, i en elektrolyt speciellt designad av Mengs medarbetare på General Motors, litiumavlagringar så täta, kolumnformade bitar. Denna typ av struktur gör att mindre oreagerad litiummetall fastnar i SEI-skiktet som inaktivt litium under urladdning. Resultatet är en Coulombic-verkningsgrad på 96 procent för den första cykeln.

"Denna utmärkta prestanda tillskrivs den kolumnära mikrostrukturen som bildas på ytan av strömkollektorn med minimal slingrande, vilket avsevärt förbättrar den strukturella anslutningen, sa Mei Cai, vars team på General Motors utvecklade den avancerade elektrolyten som gjorde att litium kunde avsättas med den "ideala" mikrostrukturen.

I kontrast, när en kommersiell karbonatelektrolyt används, litiumavlagringar med en snodd, morfhårliknande morfologi. Denna struktur gör att mer litiummetall fastnar i SEI under strippningsprocessen. Coulombic effektivitet sänks till 85 procent.

Går vidare, teamet föreslår strategier för att kontrollera avsättning och strippning av litiummetall. Dessa inkluderar att applicera tryck på elektrodstaplarna; skapa SEI-skikt som är enhetliga och mekaniskt elastiska; och med användning av 3D-strömavtagare.

"Kontroll över mikro- och nanostrukturen är nyckeln, ", sa Meng. "Vi hoppas att våra insikter kommer att stimulera nya forskningsriktningar för att ta uppladdningsbara litiummetallbatterier till nästa nivå."