Forskare från Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) visualiserade bildandet av en fast elektrolytfas på kolhaltiga elektrodmaterial av batterikvalitet med hjälp av in situ atomic force microscopy (AFM). Detta kommer att hjälpa forskare att designa och bygga batterier med högre prestanda och hållbarhet.

En fast elektrolytinterfas (SEI) är ett tunt lager av elektrolytreduktionsprodukter som bildas på ytan av en litiumjonbatterianod under flera initiala cykler. Det förhindrar ytterligare elektrolytnedbrytning, stabilisera gränssnittet mellan elektrod och elektrolyt, och säkerställer en lång batteritid. Att forma en SEI-film tar tid och energi, och dess kvalitet styr till stor del batteriets prestanda och hållbarhet:en dåligt utformad SEI resulterar i snabb försämring av batteriets prestanda.

Fortfarande, bildandet av SEI är fortfarande dåligt förstådd, och forskare använder in situ atomkraftsmikroskopi som möjliggör direkt observation av denna process. Tills nu, de flesta av dessa mätningar utfördes på högorienterad pyrolytisk grafit (HOPG), en mycket ren och ordnad form av grafit som har en ren och atomärt plan basalplan yta. Dock, HOPG är en dålig ersättning för faktiska elektrodmaterial av batterikvalitet, så processen skiljer sig väsentligt från vad som händer inuti ett kommersiellt batteri.

Ett Skoltech-team ledd av forskaren Sergey Luchkin och professor Keith Stevenson lyckades visualisera SEI-bildning på material av batterikvalitet. För detta, de var tvungna att designa en elektrokemisk cell som möjliggjorde de mätningar som var nödvändiga för denna direkta observation av SEI-bildning.

"Batteriklassade material är pulver, och visualisera dynamiska processer på deras yta av AFM, speciellt i en flytande miljö, är utmanande. En standardbatterielektrod är för grov för sådana mätningar, och isolerade partiklar tenderar att lossna från substratet under skanning. För att övervinna detta problem, vi bäddade in partiklarna i epoxiharts och gjorde ett tvärsnitt, så att partiklarna var ordentligt fixerade i substratet, säger Luchkin.

Forskarna fann att SEI på material av batterikvalitet hade en annan potential än den på HOPG. Den var också mer än två gånger tjockare och mekaniskt starkare. Till sist, de kunde visa att SEI var bättre bunden till den grova ytan av batteriklassad grafit än med den plana ytan av HOPG.

"Spatialt lösta undersökningar av batterigränssnitt och mellanfaser som beskrivs i detta arbete ger betydande nya insikter om strukturen och utvecklingen av anoden SEI. Därför, de ger fasta riktlinjer för rationell elektrolytdesign för att möjliggöra högpresterande batterier med förbättrad säkerhet, ", tillägger Stevenson.