Forskare avbildade den strukturella och kemiska utvecklingen av LiCoO2-katoder vid Li-dendritkontakt i atomär skala. En spontan, irreversibel omvandlingsreaktion leder till bildning av Co-metall och Li2O, med CoO som en metastabil reaktionsmellanprodukt. Kredit:Environmental Molecular Sciences Laboratory
Uppladdningsbara litiumbatterier (Li) är de mest använda energilagringsenheterna som finns i hemelektronik och elfordon idag. Det finns utmaningar, fastän, att optimera sin kapacitet, återvinningsbarhet, och stabilitet. Under ett Li-batteris laddnings-urladdningscykler, mycket lokaliserade Li-dendriter – Li-strängar som växer inuti batterier – kan bildas och skada batteriets prestanda.
"Litiumdendriter är fina trådar, som morrhår, som kan komma i kontakt med katodmaterial och orsaka en kedja av irreversibla, spontana kemiska reaktioner, " sa Yingge Du, en forskare från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) som nyligen ledde en studie för att visualisera detta fenomen. "Det kan leda till prestationsförsämring, kortslutning, och säkerhetsrisker, " han lade till.
Du och hans team försökte hitta den exakta felmekanismen. Att göra så, de behövde exakt kontrollera hur och när Li-dendriterna kom i kontakt med katodmaterialen. Teamet använde in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att direkt avbilda den strukturella och kemiska utvecklingen av litiumkoboltoxid (LiCoO) 2 ) tunnfilmskatoder på Li-dendritkontakt. "LiCoO 2 är fortfarande ett av de mest använda katodmaterialen, sa Du, "och att göra den till väldefinierad enkelkristallin form genom pulsad laseravsättning kan släppa lös kraften hos avancerad elektronmikroskopi." Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskare upptäckte en oväntad Li-utbredningsväg och detaljerade reaktionssteg som leder till katodfel.
Deras studie, "Direkt visualisering av Li Dendrite-effekten på LiCoO 2 Cathode av In Situ TEM, " publicerades nyligen i Små och med på omslaget.
För att möta de ökande kraven på storskaliga energilagringsenheter, det finns ett akut behov av forskare att utveckla säkrare, uppladdningsbara batterier med högre energiuttag. Li-metall har betraktats som ett ideal, anodmaterial med hög kapacitet. Dock, dess användning försvåras kraftigt av bildningen av Li-dendriter som kan penetrera separatorn – ett permeabelt membran placerat mellan batteriets anod och katod. När Li-dendriter är i direkt kontakt med katodmaterial, en kedja av oåterkalleliga, spontana kemiska reaktioner kan uppstå, leder till prestationsförsämring, kortslutning, och säkerhetsrisker.
Även om betydande ansträngningar har lagts ned på att upptäcka, förstå, och förhindra bildning av Li-dendriter i elektrolyterna, lite är känt om de detaljerade reaktionsvägarna som involverar Li-metall och katodmaterial. Att överbrygga denna kunskapsklyfta kan ge detekterings- och designprinciper som är avgörande för framtida energilagringslösningar.
I den här studien, Du och hans team av forskare vid PNNL studerade Li-dendriter och deras effekt på katodmaterial. De försökte förstå de detaljerade reaktionsvägarna, vilket kan leda till utvecklingen av bättre Li-batterier.
Med hjälp av pulsad laseravsättning, Du och hans team tillverkade väldefinierade, epitaxiell LiCoO 2 tunna filmer med kontrollerad kristallografisk orientering för att fungera som modell katodmaterial. En Li-metallspets användes för att efterlikna Li-dendriten inuti en TEM för att studera dess reaktion med beredd LiCoO 2 prover.
Avancerade mikroskopi- och spektroskopitekniker – inklusive sveptransmissionselektronspektroskopi, nanostrålediffraktion, och elektron-energiförlustspektroskopi – gjorde det möjligt att undersöka sådana reaktioner med hög rumslig och tidsmässig upplösning. I kombination med densitetsfunktionella teoriberäkningar, forskare klargjorde reaktionsstegen, mellanprodukter, och slutprodukter på en oöverträffad nivå. En oväntad Li-diffusionsriktning vinkelrät mot de Li-innehållande planen hittades, som slet LiCoO 2 kristall isär, genererar stora mängder korngränser och motfasgränser. Medan Co-metall och Li2O visade sig vara slutprodukterna av den fullständiga omvandlingsreaktionen, CoO identifierades som en metastabil mellanprodukt vid reaktionsfronten som ett resultat av lätt fasövergång från LiCoO 2 .
"Reaktionsstegen och mellanprodukterna som avslöjades ger en tydlig felmekanism för LiCoO 2 katoder orsakade av Li-dendriter, och kan också erbjuda insikter i överurladdningsprocesserna i katoder, " anmärkte Du.
Fortsätter detta arbete, Dus team har för avsikt att tillverka helsolid-state-batterier genom flerstegsdeponeringsprocesser med pulsad laseravsättning för att bättre förstå jontransportprocesserna över de väldefinierade gränssnitten.
