Litiummetallbatterier har ett enormt löfte för nästa generations energilagring eftersom den litiummetallnegativa elektroden har 10 gånger mer teoretisk specifik kapacitet än grafitelektroden som används i kommersiella Li-ion-batterier. Det har också den mest negativa elektrodpotentialen bland material för litiumbatterier, vilket gör den till en perfekt negativ elektrod. Dock, litium är ett av de svåraste materialen att manipulera, på grund av dess inre dendrit tillväxtmekanism. Denna mycket komplexa process är fortfarande inte helt förstådd och kan få Li-ion-batterier att ibland kortsluta, fatta eld, eller till och med explodera.

Medan forskare vet att tillväxten av dendriter, som är nålliknande litium-morrhår som bildas internt i batterielektroder, påverkas av hur joner rör sig i elektrolyten, de förstår inte hur jontransport och inhomogen jonkoncentration påverkar litiumavsättningens morfologi. Avbildning av jontransport i en transparent elektrolyt har visat sig vara mycket utmanande, och nuvarande tekniker har inte kunnat fånga låga jonkoncentrationer och ultrasnabb elektrolytdynamik.

Columbia University forskare meddelade idag att de har använt Stimulated Raman Scattering (SRS) mikroskopi, en teknik som ofta används i biomedicinska studier, att utforska mekanismen bakom dendrittillväxt i litiumbatterier och, därvid, har blivit det första teamet av materialforskare som direkt observerar jontransport i elektrolyter. De upptäckte en litiumavsättningsprocess som motsvarar tre steg:ingen utarmning, en partiell utarmning (ett tidigare okänt stadium), och full utarmning av litiumjoner. De hittade också en återkopplingsmekanism mellan litiumdendrittillväxt och heterogenitet av lokal jonkoncentration som kan undertryckas av artificiell fast elektrolytinterfas i det andra och tredje stadiet. Tidningen publiceras online i Naturkommunikation .

"Med hjälp av stimulerad Raman -spridningsmikroskopi, som är tillräckligt snabb för att fånga den snabbt föränderliga miljön inuti elektrolyten, vi har kunnat ta reda på inte bara varför litiumdendriter bildas utan också hur vi kan hämma deras tillväxt, "säger Yuan Yang, medförfattare till studien och biträdande professor i materialvetenskap och teknik, institutionen för tillämpad fysik och tillämpad matematik vid Columbia Engineering. "Våra resultat visar att jontransport och inhomogen jonkoncentration är avgörande för bildandet av litiumdendriter på litiumytan. Möjligheten att visualisera jonrörelser hjälper oss att förbättra prestanda för alla typer av elektrokemiska enheter - inte bara batterier, men också bränsleceller och sensorer. "

För denna studie, Yang samarbetade med Wei Min, professor i kemi vid Columbia University och studiens medförfattare. Tio år sedan, Min utvecklade SRS med kollegor som ett verktyg för att kartlägga kemiska bindningar i biologiska prover. Yang lärde sig om tekniken från Mins hemsida, och insåg att SRS kan vara ett värdefullt verktyg i hans batteriforskning.

"SRS är tre till sex storleksordningar snabbare än konventionell spontan Raman -mikroskopi, "Noterade Yang." Med SRS, vi kan få en 3D-bild med upplösning på 300 nm på 10 sekunder med en kemisk upplösning ~ 10 mM, vilket gör det möjligt att avbilda jontransport och distribution. "

Studien avslöjade att det finns tre dynamiska stadier i Li -deponeringsprocessen:

1. En långsam och relativt enhetlig avsättning av mossliknande Li när jonkoncentrationen är långt över 0;
2. En blandad tillväxt av mossiga Li och dendriter; i detta skede, Li+ utarmning sker delvis nära elektroden, och litiumdendritutskjutningar börjar dyka upp; och
3. Dendrit tillväxt efter full utarmning. När ytjonerna är helt utarmade, litiumavsättningen kommer att domineras av "dendrittillväxt" och du kommer att se den snabba bildningen av litiumdendriter.

Steg 2 är en kritisk övergångspunkt vid vilken den heterogena Li+ -utarmningen på Li -ytan får litiumavsättningen att växa från "mossy litium mode" till "dendrit litium mode". I detta skede, två regioner börjar dyka upp:en dendritregion där litium börjar avsätta dendriter i en snabbare och snabbare takt, och en icke-dendritregion där litiumavsättningen saktar ner och till och med stannar. Dessa resultat överensstämmer också med förutsägelser från simuleringar som utförts av Pennsylvania State University -samarbetspartners, Long-Qing Chen, professor i materialvetenskap och teknik, och hans doktorsexamen student Zhe Liu.

"Den smarta användningen av stimulerad Raman -spridningsmikroskopi för att visualisera elektrolytkoncentrationen i en driftelektrod är ett verkligt genombrott i avbildningen av elektrokemiska system, "säger Martin Bazant, professor i kemiteknik och matematik vid Massachusetts Institute of Technology. "Vid litiumelektrodeponering, kopplingen mellan lokal saltutarmning och dendritisk tillväxt observerades direkt för första gången, med viktiga konsekvenser för utformningen av säkra uppladdningsbara metallbatterier."

Uppföljning av deras observationer, Columbia-teamet utvecklade sedan en metod för att hämma dendrittillväxt genom att homogenisera jonkoncentrationen på litiumytan i både steg 2 och 3.

"När vi gjorde ytjonfördelningen enhetlig och dämpade den joniska heterogeniteten genom att avsätta ett konstgjort elektrolytgränssnitt, vi kunde undertrycka dendritbildningen, "säger studiens huvudförfattare Qian Cheng, en postdoktor i Yangs laboratorium. "Detta ger oss en strategi för att undertrycka dendrittillväxt och gå vidare till att förbättra energitätheten för nuvarande batterier samtidigt som vi utvecklar nästa generations energilagring."

Min är mycket nöjd med att hans SRS-teknik har blivit ett så kraftfullt verktyg för material- och energifälten. "Utan SRS -mikroskopi, vi skulle inte ha kunnat se och validera en så tydlig korrelation mellan Li+-koncentrationen och dendrittillväxt, "säger han." Vi är glada över att fler inom materialvetenskap kommer att lära sig om detta verktyg. Vem vet vad vi ska se härnäst? "