Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har tagit de första realtidsbilderna i nanoskala av litiumdendritstrukturer som är kända för att bryta ned litiumjonbatterier. ORNL-teamets elektronmikroskopi kan hjälpa forskare att ta itu med långvariga problem relaterade till batteriprestanda och säkerhet.

Dendriter bildas när metalliskt litium slår rot på batteriets anod och börjar växa slumpmässigt. Om dendriterna blir för stora, de kan punktera avdelaren mellan elektroderna och kortsluta cellen, vilket resulterar i katastrofalt batterifel.

Forskarna studerade dendritbildning genom att använda en elektrokemisk miniatyrcell som efterliknar vätskeförhållandena inuti ett litiumjonbatteri. Genom att placera den flytande cellen i ett skanningstransmissionselektronmikroskop och applicera spänning på cellen kunde forskarna se när litiumavlagringar - som börjar som ett nanometerstort frö - växte till dendritiska strukturer.

"Det ger oss en nanoskopisk bild av hur dendriter bildar kärnor och växer, " sa ORNLs Raymond Unocic, gruppledare för in situ mikroskopi. "Vi kan visualisera hela processen på en glasartad kolmikroelektrod och observera var dendriterna föredrar att bilda kärnor och även spåra morfologiska förändringar under tillväxt." Se en video av dendrittillväxten nedan.

Förutom att avbilda strukturerna i hög upplösning, teamets mikroskopiteknik samlade in exakta mätningar av cellens elektrokemiska prestanda. "Denna teknik tillåter oss att följa subtila strukturella och kemiska förändringar i nanostorlek som inträffar och ännu viktigare, korrelera det med den uppmätta prestandan hos ett batteri, sa Robert Sacci, ORNL postdoktor och huvudförfattare till Nano Letters-studien.

Denna realtidsanalys i en flytande miljö skiljer ORNL-teamets tillvägagångssätt från andra karakteriseringsmetoder.

"Vanligtvis när du kör ett batteri under många laddnings-urladdningscykler, du väntar vanligtvis tills saker börjar misslyckas och då utför du en analys av rotorsaksfel, Sa Unocic. "Då ser du att det finns en dendrit - men vad så? Nu när vi kan se exakt hur dendriterna bildas med vår teknik, vi kan vara proaktiva och utforma strategier för att hämma eller minska dessa fenomen."

ORNL-teamet tror att forskare som experimenterar med olika sätt att ta itu med dendritproblemet, såsom flytande tillsatser eller starkare separatorer, kommer att dra nytta av sin forskning.

"Om du inte förstår den grundläggande mekanismen för varför saker händer i dina enheter, du kommer alltid att tänka, 'Varför hände det här och hur fixar jag det?'" sa Unocic. "Tills du kommer ner till den mikroskopiska och nanoskopiska nivån för att titta på den strukturella och kemiska utvecklingen som sker i cellerna - då kan du inte riktigt ta itu med dessa frågor som dyker upp."