Ett utbrott av litium vid spetsen av ett batteris elektrod, sprickor i elektrodens kropp, och en beläggning som bildas på elektrodens yta avslöjar hur omladdning av ett batteri många gånger leder till dess död.

Genom att använda ett kraftfullt mikroskop för att se flera cykler av laddning och urladdning under verkliga batteriförhållanden, forskare har fått insikt i kemin som täpper igen uppladdningsbara litiumbatterier. Arbetet, visas i marsnumret av tidskriften Nanobokstäver , kommer att hjälpa forskare att designa billigare och kraftfullare uppladdningsbara batterier med metaller som är vanligare och säkrare än litium.

"Detta arbete är det första visuella beviset på vad som leder till bildandet av litiumdendriter, nanopartiklar och fibrer som vanligtvis finns i laddningsbara litiumbatterier som byggs upp med tiden och leder till batterifel, " sa den ledande forskaren Nigel Browning, en fysiker vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory.

Dendritnöd

Som alla med en döende mobiltelefon vet, det skulle vara trevligt om laddningsbara batterier höll mer kraft, höll längre och var billigare. Att lösa dessa problem skulle också kunna göra elfordon och förnybar energi mer attraktiva. Att använda metaller som magnesium eller aluminium i stället för litium kan förbättra batteriernas livslängd och kostnader, men forskning och utveckling av icke-litiumuppladdningsbara artiklar ligger långt efter de vanliga kommersiella litiumjonerna.

För att påskynda utvecklingen av laddningsbara batterier, DOE finansierade Joint Center for Energy Storage Research, ett samarbete mellan flera nationella labb, universitet och privata företag. Tvärvetenskapliga team av forskare utforskar en mängd olika problem, hoppas kunna övervinna dem genom att förstå de underliggande kemiska principerna.

Till exempel, laddningsbara batterier lider av tillväxten av dendriter, mikroskopisk, stiftliknande fibrer som drabbar batterielektroder. Nyligen, JCESR-forskare ledda av PNNL upptäckte ett sätt att eliminera dendriter i litiumbatterier genom att använda en speciell elektrolyt. För att bättre förstå hur dendriter bildas och kan förebyggas på mikroskopisk nivå, ett annat JCESR-team ledd av PNNL:s Nigel Browning tog fram ett mikroskop som kunde undersöka ett fullt fungerande batteri i aktion.

Till skillnad från andra vyer av batteriernas inre funktion vid hög förstoring, varav de flesta bara använder en del av ett batteri eller måste studera dem under tryck som inte vanligtvis används i batterier, Browning-teamet skapade en komplett fungerande battericell under normala driftsförhållanden.

"Det här är mycket spännande arbete, " sa förstaförfattaren Layla Mehdi. "Vi konstruerade ett riktigt fungerande batteri inuti transmissionselektronmikroskopet. Fördelen är att vi direkt kan observera alla kemiska reaktioner vid elektrolyt-elektrodgränssnittet i realtid, som de händer under cykling av batteriet."

Mikroskopisk ch-ch-ch-laddning

Att göra det, teamet var tvungen att anpassa transmissionselektronmikroskop för deras behov. Särskilt, de var tvungna att övervinna skadorna som orsakats av mikroskopets högenergistråle:elektronmikroskop använder elektronstrålar för att visualisera vad som finns i synfältet som ett vanligt mikroskop använder ljus. Teamet bestämde det optimala sättet att lysa strålen innan de skadades. Detta gjorde det möjligt för forskarna att ladda och ladda ur det lilla batteriet upprepade gånger och vara säkra på att förändringarna de såg under räckvidden berodde på batteridrift och inte själva strålen.

Deras experimentbatteri hade en platinaelektrod och en vanlig batterivätskeelektrolyt som kallas litiumhexafluorfosfat i propylenkarbonat. Jobbet för elektrolytens positivt laddade litiumjoner är att samlas vid platinaelektroden när batteriet laddas, där de håller på elen tills batteriet är förbrukat.

Och litiumjonerna gjorde sitt jobb. När laget pumpade in elektroner i batteriet, litiumjonerna flockades till elektroden, som såg ut att växa hårtussar som ett 1970-tals Chia-husdjur.

Att ladda ur batteriet tömde tofsarna, men inte helt. Ytterligare analys visade att de överblivna tofsarna endast kunde vara litiummetall baserat på deras låga densitet jämfört med de vanliga rapporterade elektrolytnedbrytningsprodukterna. Att förlora fria litiumjoner till dessa klumpar av "dött litium" minskar batteriets prestanda.

Dessutom, urladdning av vänster sprickor på elektroden. Fler cykler av laddning och urladdning fick fler sprickor att växa och dött litium ackumuleras, några inom elektrolyten och några på elektrodens yta.

Viktigt, forskarna kunde mäta tillväxten av ett välkänt lager på elektrodens yta som stör prestanda. Kallas SEI för fast-elektrolyt-interfas, detta skikt bildas på grund av interaktioner mellan litium och elektrolyten. Så småningom hindrar SEI batteriet från att laddas. Den mikroskopiska avbildningen avslöjade hur snabbt lagret bildades och var.

Även om dessa experiment lärde dem om litiumbeteende, Browning sa att han är mer exalterad över att använda tekniken för att studera andra metallanoder, metaller som magnesium, koppar och andra som kan leda till en ny generation av batterisystem.

"När du kan avbilda detta, " han sa, "varför cykla ett batteri i dagar och dagar och dagar när du vet hur snabbt batteriet försämras? Nu kan vi dra ner på cyklingen och gå vidare till att testa individuella egenskaper hos nya batterikemi."