Хотя они обычно распространяются под покровом темноты в закрытой камере, группа исследователей из Мичиганского университета шпионила за ними, вырезая окно в батарее и снимая дендриты по мере их роста (батарея, которую они исследовали, была нового поколения. литий-металлический аккумулятор, а не литий-ионный аккумулятор, используемый в коммерческих сотовых телефонах и другой бытовой электронике).Эта работа может помочь исследователям безопасно вывести литиевые батареи на новый уровень.
Литий-серные и воздушно-литиевые батареи — часто называемые литий-металлическими батареями, потому что они имеют цельнометаллические электроды — могут хранить в 10 раз больше энергии в том же пространстве, что и современные литий-ионные батареи. .Однако цельнометаллические электроды в этих усовершенствованных версиях особенно склонны к образованию дендритов. Дендриты быстро снижают производительность батареи, вызывают проблемы с безопасностью и сокращают срок ее службы.
«Никто не хочет покупать электромобиль, стоимость которого уменьшается с 300 до 100 миль на одном заряде после нескольких использований», — сказал Нил Дасгупта, доцент кафедры машиностроения Университета штата Мичиган.Хуже того, дендриты могут пробить мембрану между электродами, закоротив аккумулятор.
Также никому не нужен электромобиль, который самовозгорает.Хотя широко известно, что дендриты представляют собой проблему в литий-металлических батареях, которых еще нет на рынке, их роль в возникновении проблем в сегодняшних коммерчески доступных литий-ионных батареях менее изучена. Исследователи пока не знают, что стало причиной неисправности телефонов Samsung, из-за чего компания отозвала их.
Некоторые подозреваемые дендриты могут быть виноваты.«По мере того как исследователи пытаются втиснуть все больше и больше энергии в одно и то же пространство, морфологические проблемы, такие как дендриты, становятся серьезной проблемой. Хотя мы до конца не знаем, почему взорвались Note 7, дендриты вызывают такие плохие вещи», — сказал Кевин Вуд. , постдокторант в области машиностроения, который помог разработать окно для батарей. «Если мы хотим в будущем батареи с высокой плотностью энергии и не хотим, чтобы они взорвались, нам нужно решить проблему дендритов».Дасгупта и Вуд искали лучший способ узнать, что происходит внутри батарей.
Наиболее часто используемые предыдущие методы сосредоточены на электрохимических измерениях при работающей батарее. Затем вскрытие батареек после завершения эксперимента показывает, какие физические изменения произошли внутри.
При таком подходе исследователи могут увидеть дендриты. Но они не видят, как они выросли.
Чтобы запечатлеть дендриты в действии, группа Дасгупты установила оконную батарею на видеомикроскоп высокого разрешения и подключила его так, чтобы они могли отслеживать как рост дендритов, так и напряжение между двумя электродами, которое изменяется во время циклов заряда и разряда. Таким образом, они связали свои наблюдения за электродом — выросли ли дендриты или сжались, и общее состояние деградации — с измерениями напряжения. Затем они связали образцы напряжения с конкретной активностью дендритов.Устройство помогло команде точно определить, почему дендриты растут в литий-металлических батареях следующего поколения.
Они изучили батарею с двумя литиевыми электродами, чтобы не усложнять проблему с другим электродом, который может вызвать собственные проблемы.«Наша оконная батарея — это простая платформа, которую могут использовать исследователи во всем мире», — сказал Дасгупта. «Его можно воспроизвести в любой лаборатории с оптическим микроскопом, простым электрохимическим оборудованием, механическим цехом и бюджетом в 100 долларов».Исследователи смогли увидеть, как дендриты растут, когда литий накапливается на поверхности электрода, и сжимаются, когда цикл меняется на противоположный, отводя литий от поверхности.
Они видели ямки, образовавшиеся в электроде, когда литий был удален, и они видели, как эти ямки стали местами зарождения дендритов в следующем цикле.Дендриты лития выглядели странно органическими, как растения, растущие и увядающие в течение цикла батареи. Некоторые дендриты откололись и превратились в «мертвый литий», плавающий в батарее.
Команда обнаружила, что не все дендриты вызывают серьезные повреждения. Если дендриты маленькие и равномерно покрывают поверхность электрода, больше лития остается в игре. В этом случае производительность батареи остается стабильной, сказал Вуд.
«Если вы хотите достичь практических условий эксплуатации, я не думаю, что есть какой-либо способ по-настоящему предотвратить рост дендритов», — сказал он. «Но, контролируя рост дендритов, вы можете создать аккумуляторы с большим сроком службы и большей безопасностью».Используя это понимание, команда обнаружила способ значительно продлить срок службы литиевых электродов, который будет раскрыт в будущей публикации.