Bildandet av litiumdendriter är fortfarande ett mysterium, men materialingenjörer studerar de förhållanden som möjliggör dendrit och hur man stoppar dem.

Historiskt sett som för decennier sedan, uppladdningsbara litiummetallbatterier var farliga. Dessa batterier övergavs snabbt till förmån för litiumjonbatterier som inte innehåller metalliskt litium och som nu används flitigt. I ansträngningarna att fortsätta driva upp energitätheten och minska kostnaderna, vi utforskar återigen hur man effektivt och säkert använder litiummetall i batterier. Solid -state batterier, fri från brandfarliga vätskor, kan vara lösningen. Dock, utvecklingen har bromsats eftersom litiummetall fortfarande hittar ett sätt att kortsluta batteriet och begränsa livslängden.

Solid-state litiumbatterier är den heliga gralen för energilagring. Med potentiella effekter på allt från personliga mobila enheter till industriell förnybar energi, svårigheterna är värda att övervinna. Målet:Bygg ett säkert och långlivat litiumbatteri. Utmaningen:Använd en solid-state elektrolyt och stoppa kortslutning från bildandet och tillväxten av litiumdendriter.

I ett nytt inbjudningsartikel publicerat i Journal of Materials Research , materialingenjörer från Michigan Technological University väger in på problemet. Deras uppfattning är ovanlig. De fokuserar på den unika mekaniken hos litium vid dimensioner som är en bråkdel av hårets diameter på ditt huvud - mycket mindre skalor än de flesta andra anser.

"Folk tycker att litium är mjukt som smör, så hur kan den möjligen ha styrkan att tränga in genom en keramisk fast elektrolytavskiljare? "frågade Erik Herbert, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Michigan Tech och en av studiens ledningar. Han säger att svaret inte är intuitivt - mindre är starkare. Små fysiska defekter som mikrosprickor, porer eller ytjämnhet finns oundvikligen vid gränssnittet mellan en litiumanod och en fast elektrolytavskiljare. Zooma in på mekaniken hos litiummetall i längdskalor som står i proportion till de små gränssnittsdefekterna, det visar sig att litium är mycket starkare än det är vid makroskopiska eller bulklånga skalor.

"Litium gillar inte stress mer än du eller jag gillar stress, så det är bara att försöka komma på hur trycket ska försvinna, "Herbert sa." Det vi säger är att i små längder, om litium inte sannolikt kommer att ha tillgång till den normala mekanismen skulle det använda för att minska trycket, den måste lita på andra, mindre effektiva metoder för att lindra stressen. "

I varje kristallin metall som litium, atomnivådefekter som kallas dislokationer behövs för att lindra betydande mängder stress. Vid makroskopiska eller bulklånga skalor, dislokationer bli av med stress effektivt eftersom de tillåter angränsande plan av atomer att lätt glida förbi varandra som en kortlek. Dock, vid små längder och höga temperaturer i förhållande till metallens smältpunkt, chansen att hitta dislokationer inom den stressade volymen är mycket låg. Under dessa omständigheter, metallen måste hitta ett annat sätt att avlasta trycket. För litium, det betyder att byta till diffusion. Stressen driver litiumatomer bort från den stressade volymen - ungefär som att transporteras bort på en atomflygplats. Jämfört med dislokationsrörelse, diffusion är mycket ineffektiv. Det betyder vid små längder, där diffusion styr spänningsavlastning snarare än förflyttning, litium kan stödja mer än 100 gånger mer stress eller tryck än det kan vid makroskopiska längdskalor.

Katastrofala problem kan uppstå i vad Herbert och hans medledare, MTU -professor Stephen Hackney, ring den defekta riskzonen. Zonen är ett fönster med fysiska defektdimensioner som definieras av spänningsavlastningstävlingen mellan diffusion och förflyttning. Det värsta scenariot är ett fysiskt gränssnitt (en mikrorack, por eller ytråhet) som är för stor för effektiv spänningsavlastning genom diffusion men för liten för att möjliggöra spänningsavlastning genom förflyttning. I detta omvända Goldilocks -problem, höga spänningar i litiumet kan orsaka att den fasta elektrolyten och hela batteriet katastrofalt misslyckas. Intressant, riskzonsstorleken är samma storlek som de observerade litiumdendriterna.

"De mycket tunna halvledarelektrolyterna och de höga strömtätheten som krävs för att ge batteriet och korta laddningstider som förväntas av konsumenterna är förhållanden som gynnar litiumdendritfel, så dendritproblemet måste lösas för att tekniken ska utvecklas, "Sade Hackney." Men för att göra solid state-tekniken livskraftig, effektförmågan och begränsningarna för livscykeln måste åtgärdas. Självklart, det första steget i att lösa problemet är att förstå grundorsaken, vilket är vad vi försöker göra med det nuvarande arbetet. "

Hackney påpekar att det mindre är starkare konceptet inte är nytt. Materialingenjörer har studerat längdskalans effekt på mekaniskt beteende sedan 1950 -talet, även om det inte har använts i stor utsträckning för att överväga litiumdendrit och fast elektrolytproblem.

"Vi tror att detta" mindre är starkare "paradigm är direkt tillämpligt på den observerade litiumdendritstorleken, och bekräftas av våra experiment på mycket ren, tjocka Li -filmer vid töjningshastigheter som är relevanta för initiering av dendritinstabilitet under laddning, Sa Hackney.

För att noggrant undersöka deras hypotes, Herbert och Hackney utför nanoindentationsexperiment i litiumfilmer med hög renhet som produceras av en toppbatteriforskare, Nancy Dudney från Oak Ridge National Laboratory.

"Litiummetallens bulkegenskaper är väl karakteriserade, men detta kanske inte är relevant vid omfattningen av defekter och inhomogena strömfördelningar som sannolikt fungerar i mycket tunna fasta batterier, "Sa Dudney." Modellen som presenteras i detta dokument är den första som kartlägger förhållanden där det mycket starkare litiumet kommer att påverka cykellivets prestanda. Detta kommer att vägleda framtida undersökningar av fasta elektrolyter och batteridesigner. "

Bland lagets nästa steg, de planerar att undersöka effekterna av temperatur och elektrokemisk cykling på litiumets mekaniska beteende vid små längder. Detta kommer att hjälpa dem att bättre förstå verkliga förhållanden och strategier för att göra nästa generations batterier immuna mot bildning och tillväxt av litiumdendritter.