Forskare har upptäckt en grundorsak till tillväxten av nålliknande strukturer – kända som dendriter och morrhår – som plågar litiumbatterier, orsakar ibland kortslutning, fel, eller till och med en brand.

Laget, ledd av Chongmin Wang vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, har visat att förekomsten av vissa föreningar i elektrolyten – det flytande material som möjliggör ett batteris kritiska kemi – leder till tillväxten av dendriter och morrhår. Teamet hoppas att upptäckten kommer att leda till nya sätt att förhindra deras tillväxt genom att manipulera batteriets ingredienser. Resultaten publicerades online den 14 oktober Naturens nanoteknik .

Dendriter är små, stela trädliknande strukturer som kan växa inuti ett litiumbatteri; deras nålliknande utskott kallas whiskers. Båda orsakar enorm skada; i synnerhet, de kan tränga igenom en struktur som kallas separator inuti ett batteri, ungefär som ett ogräs kan tränga igenom en betongterrass eller en asfalterad väg. De ökar också oönskade reaktioner mellan elektrolyt och litium, påskynda batterifel. Dendriter och morrhår håller tillbaka den utbredda användningen av litiummetallbatterier, som har högre energitäthet än deras vanliga litiumjonmotsvarigheter.

PNNL-teamet fann att ursprunget till morrhåren i ett litiummetallbatteri ligger i en struktur som kallas "SEI" eller fast elektrolytinterfas, en film där anodens fasta litiumyta möter den flytande elektrolyten. Ytterligare, forskarna pekade ut en boven i tillväxtprocessen:etylenkarbonat, ett oumbärligt lösningsmedel tillsatt till elektrolyten för att förbättra batteriets prestanda.

Det visar sig att etylenkarbonat lämnar batteriet sårbart för skador.

Fångar snabba rörelser inuti litiumbatterier

Teamets resultat inkluderar videor som visar steg-för-steg-tillväxten av en morrhår inuti ett litiummetallbatteri i nanostorlek speciellt designat för studien.

En dendrit börjar när litiumjoner börjar klumpa ihop sig, eller "kärna, "på ytan av anoden, bildar en partikel som betyder födelsen av en dendrit. Strukturen växer långsamt när fler och fler litiumatomer lyser upp, växer på samma sätt som en stalagmit växer från golvet i en grotta. Teamet fann att energidynamiken på ytan av SEI trycker in fler litiumjoner i den långsamt växande kolonnen. Sedan, plötsligt, en morrhår skjuter fram.

Det var inte lätt för laget att fånga handlingen. Att göra så, forskare integrerade ett atomkraftsmikroskop (AFM) och ett miljötransmissionselektronmikroskop (ETEM), ett mycket uppskattat instrument som gör det möjligt för forskare att studera ett driftbatteri under verkliga förhållanden.

Teamet använde AFM för att mäta den lilla kraften av morrhåren när den växte. Ungefär som en läkare mäter en patients handstyrka genom att be patienten att trycka uppåt mot läkarens utsträckta händer, PNNL-teamet mätte kraften hos den växande morrhåren genom att trycka ner spetsen med AFM:s konsol och mäta kraften som dendriten utövade under dess tillväxt.

Receptet för elektrolyt

Teamet fann att nivån av etylenkarbonat direkt korrelerar med dendrit- och morrhårstillväxt. Ju mer av materialet teamet lade i elektrolyten, ju mer morrhåren växte. Forskarna experimenterade med elektrolytblandningen, byta ingredienser i ett försök att minska dendriter. Några förändringar, såsom tillsats av cyklohexanon, förhindrade tillväxten av dendriter och morrhår.

"Vi vill inte bara undertrycka tillväxten av dendriter, vi vill komma till grundorsaken och eliminera dem, sa Wang, en motsvarande författare av tidningen tillsammans med Wu Xu. "Vi utnyttjade expertis från våra kollegor som har expertis inom elektrokemi. Min förhoppning är att våra resultat kommer att sporra samhället att se på detta problem på nya sätt. Klart, mer forskning behövs."

Att förstå vad som får morrhår att starta och växa kommer att leda till nya idéer för att eliminera dem eller åtminstone kontrollera dem för att minimera skador, tillade författaren Yang He. Han och teamet spårade hur morrhår svarade på ett hinder, antingen buckling, ger efter, knäckande, eller sluta. En större förståelse kan hjälpa till att rensa vägen för den breda användningen av litiummetallbatterier i elbilar, bärbara datorer, mobiltelefoner, och andra områden.