Det finns ett gammalt talesätt:"Du måste lära dig att gå innan du lär dig att springa." Trots sådan visdom, många branscher hoppar över grunderna och anmäler sig till maraton istället, inklusive batteriindustrin.

Litiumjonbatterier har ett otroligt löfte om förbättrad lagringskapacitet, men de är flyktiga. Vi har alla hört nyheterna om litiumjonbatterier i telefoner - framför allt Samsung Galaxy 7 - som får telefoner att fatta eld.

Mycket av problemet uppstår från användningen av brandfarlig flytande elektrolyt inuti batteriet. Ett tillvägagångssätt är att använda en icke brännbar fast elektrolyt tillsammans med en litiummetallelektrod. Detta skulle öka batteriets energi samtidigt som risken för brand minskar.

Väsentligen, destinationen bygger nästa generations solid-state-batterier som inte går högt. Resan är att i grunden förstå litium.

"Alla tittar bara på energilagringskomponenterna i batteriet, säger Erik Herbert, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Michigan Technological University. "Väldigt få forskargrupper är intresserade av att förstå de mekaniska elementen. Men lågt och se, vi upptäcker att de mekaniska egenskaperna hos litium i sig kan vara den viktigaste pusselbiten. "

Forskare från Michigan Tech bidrar avsevärt till att få en grundläggande förståelse för litium med resultat som publiceras idag i en inbjuden serie med tre papper i Journal of Materials Research, publicerad gemensamt av Materials Research Society och Cambridge University Press. Herbert och Stephen Hackney, professor i materialvetenskap och teknik, tillsammans med Violet Thole, en doktorand vid Michigan Tech, Nancy Dudney vid Oak Ridge National Laboratory och Sudharshan Phani vid International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials, dela resultat som understryker betydelsen av litiums mekaniska beteende för att kontrollera prestanda och säkerhet för nästa generations batterier.

Som en frys-tinningscykel som skadar betong, litiumdendriter skadar batterier

Litium är en extremt reaktiv metall, vilket gör det benäget att missbruka. Men den är också väldigt bra på att lagra energi. Vi vill ha våra telefoner (och datorer, surfplattor och andra elektroniska enheter) för att ladda så snabbt som möjligt, och så batteritillverkare står inför dubbeltryck:Gör batterier som laddas mycket snabbt, skicka en laddning mellan katoden och anoden så snabbt som möjligt, och gör batterierna pålitliga trots att de laddas upprepade gånger.

Litium är en mycket mjuk metall, men den beter sig inte som förväntat under batteridrift. Monteringstryck som oupplösligt uppstår under laddning och urladdning av ett batteri resulterar i mikroskopiska fingrar av litium som kallas dendriter för att fylla redan existerande och oundvikliga mikroskopiska brister – spår, porer och repor - vid gränssnittet mellan litiumanoden och den fasta elektrolytavskiljaren.

Under fortsatt cykling, dessa dendriter kan tvinga sig in i, och så småningom genom, det fasta elektrolytskiktet som fysiskt separerar anoden och katoden. När en dendrit når katoden, enheten kortsluter och misslyckas, ofta katastrofalt. Herbert och Hackneys forskning fokuserar på hur litium dämpar trycket som naturligt utvecklas under laddning och urladdning av ett solid state-batteri.

Deras arbete dokumenterar litiumets anmärkningsvärda beteende i submikronlängdsvågor - borrar ner i litiumets minsta och utan tvekan mest förvirrande attribut. Genom att trycka in litiumfilmer med en sond med diamantspets för att deformera metallen, forskarna undersöker hur metallen reagerar på tryck. Deras resultat bekräftar den oväntat höga hållfastheten hos litium i små skalor som rapporterades tidigare i år av forskare vid Cal Tech.

Herbert och Hackney bygger vidare på den forskningen genom att tillhandahålla invigningen, mekanisk förklaring av litiums förvånansvärt höga hållfasthet.

Litiums förmåga att diffundera eller omordna sina egna atomer eller joner i ett försök att lindra trycket som utövas av indenterspetsen, visade forskare vikten av den hastighet med vilken litium deformeras (vilket är relaterat till hur snabbt batterier laddas och laddas ur), liksom effekterna av defekter och avvikelser i arrangemanget av litiumjoner som utgör anoden.

Borra ner för att förstå beteendet hos litium

I artikeln "Nanoindentation av ångavsatta litiumfilmer med hög renhet:Theelastic modulus, " forskare mäter de elastiska egenskaperna hos litium för att återspegla förändringar i den fysiska orienteringen av litiumjoner. Dessa resultat betonar nödvändigheten av att införliva litiums orienteringsberoende elastiska egenskaper i allt framtida simuleringsarbete. Herbert och Hackney tillhandahåller också experimentella bevis som tyder på att litium kan ha en förbättrad förmåga att omvandla mekanisk energi till värme vid längdskalor mindre än 500 nanometer.

I artikeln som följer, "Nanoindentation av ångavsatta litiumfilmer med hög renhet:En mekanistisk rationalisering av diffusionsmedierat flöde, "Herbert och Hackney dokumenterar litiums anmärkningsvärt höga hållfasthet i längdskalor mindre än 500 nanometer, och de tillhandahåller sin ursprungliga ram, som syftar till att förklara hur litiums förmåga att hantera tryck styrs av diffusion och hastigheten med vilken materialet deformeras.

Till sist, i "Nanoindentation av ångavsatta litiumfilmer med hög renhet:En mekanistisk rationalisering av övergången från diffusion till dislokationsmedierat flöde, " Författarna tillhandahåller en statistisk modell som förklarar de förhållanden under vilka litium genomgår en abrupt övergång som ytterligare underlättar dess förmåga att lindra tryck. De tillhandahåller också en modell som direkt kopplar det mekaniska beteendet hos litium till batteriets prestanda.

"Vi försöker förstå mekanismerna genom vilka litium lindrar trycket på längdskalor som står i proportion till gränssnittsdefekter, " säger Herbert. Att förbättra vår förståelse av denna grundläggande fråga kommer direkt att möjliggöra utvecklingen av ett stabilt gränssnitt som främjar säker, långvarig och hög cykelprestanda.

Herbert säger:"Jag hoppas att vårt arbete har en betydande inverkan på den riktning människor tar för att utveckla nästa generations lagringsenheter."