Forskare använder neutroner för att studera ett batterimaterial som kan erbjuda ett säkrare alternativ till den brandfarliga vätskekomponenten som finns i de flesta typer av litiumjonbatterier.

Rob Schmidt, en postdoktor vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, och hans medarbetare använder neutroner vid labbets högflödesisotopreaktor (HFIR) för att studera ett granatmaterial med fast kärna som en möjlig ersättning för de brandfarliga vätskekärnor som ofta används i litiumjonbatterier.

Batterier innehåller ett kärnmaterial som kallas en elektrolyt som gör att joner kan röra sig mellan cellens positiva och negativa ändar för att upprätthålla en balanserad laddning. Dock, de flesta av de flytande elektrolyter som används idag i litiumjonbatterier är brandfarliga. Schmidt undersöker ett fast elektrolytmaterial för potentiell användning i nästa generation av litiumjonbatterier för ökad säkerhet och tillförlitlighet.

Teamet använder CG-1D:s höga känslighet för litium för att spåra litiumjonens utveckling över elektrolyten och för att observera de förhållanden som leder till bildandet av oönskade dendriter. Dendriter, tunna litiummetalltrådar som kan bildas inuti battericeller, försämra batteriets prestanda genom att skapa oönskade variationer i elektriska strömfördelningar.

"Litium är ett mjukt metallmaterial, så en litiumdendrit kan gå igenom vätskor ganska enkelt, vilket gör det enkelt för batterierna att bli korta, " sa Schmidt. "Lithium bör inte gå igenom en stel, keramikliknande material som granatmaterialet vi studerar, men det gör det. Vi vill veta varför och hur det gör det."

Schmidt antog att det första steget till misslyckande är för mycket jonström i ett område, följt av bildandet av dendriter i områden som har större litiumjonströmdensitet. Dendriten kan skapa en lättare väg för jonladdningar att röra sig längs än elektrolyten. En delvis formad dendrit koncentrerar jonström mot den lättare vägen; när dendriten är helt bildad mellan båda elektroderna, det skapar en intern elektrisk kortslutning.

"Du kan verkligen inte se dendriter bra genom att sondera med röntgenstrålar, men med neutroner, du kan se var litium verkligen absorberar neutroner, väldigt bra, " han sa.

Om neutroner kan hjälpa laget att bättre förstå hur dendriter bildas, de kanske kan informera om utformningen av nya och i slutändan säkrare batterier.