Litiumjonbatterier växer ofta nålliknande strukturer mellan elektroderna som kan kortsluta batterierna och ibland orsaka bränder. Nu, ett internationellt team av forskare har hittat ett sätt att växa och observera dessa strukturer för att förstå sätt att stoppa eller förhindra att de uppstår.

"Det är svårt att upptäcka kärnbildningen av en sådan morrhår och observera dess tillväxt eftersom den är liten, sa Sulin Zhang, professor i maskinteknik, Penn State. "Den extremt höga reaktiviteten hos litium gör det också mycket svårt att experimentellt undersöka dess existens och mäta dess egenskaper."

Litiumwhiskers och dendriter är nålliknande strukturer som bara är några hundra nanometer i tjocklek som kan växa från litiumelektroden genom antingen flytande eller fasta elektrolyter mot den positiva elektroden, kortsluta batteriet och ibland orsaka brand.

Samarbetsteamet från Kina, Georgia Tech och Penn State odlade framgångsrikt litium-whiskers i ett miljötransmissionselektronmikroskop (ETEM) med hjälp av en koldioxidatmosfär. Reaktionen mellan koldioxid och litium bildar ett oxidskikt som hjälper till att stabilisera morrhåren.

De rapporterar sina resultat online denna vecka i Naturens nanoteknik . Uppsatsen är "Avslöjar tillväxten och stressgenereringen av litiumhårhår genom in situ ETEM-AFM."

Innovativt, teamet använde en atomic force microscope (AFM)-spets som en motelektrod och den integrerade ETEM-AFM-tekniken möjliggör samtidig avbildning av morrhårstillväxten och mätning av tillväxtspänningen. Om tillväxtstressen är för hög, det skulle penetrera och spräcka den fasta elektrolyten och tillåta morrhåren att fortsätta växa och så småningom kortsluta cellen.

"Nu när vi vet gränsen för tillväxtstress, vi kan konstruera de fasta elektrolyterna för att förhindra det, ", sa Zhang. Litiummetallbaserade helsolid-state-batterier är önskvärda på grund av större säkerhet och högre energitäthet.

Denna nya teknik kommer att välkomnas av mekanik- och elektrokemigemenskaperna och vara användbar i många andra tillämpningar, sa Zhang.

Nästa steg för teamet är att titta på dendriten när den bildas mot en mer realistisk elektrolyt i fast tillstånd under TEM för att se exakt vad som händer.