Используя мощный микроскоп для наблюдения за несколькими циклами зарядки и разрядки в реальных условиях батареи, исследователи получили представление о химическом составе перезаряжаемых литиевых батарей. Работа, опубликованная в мартовском номере журнала Nano Letters, поможет исследователям разработать более дешевые и мощные аккумуляторные батареи с металлами, более распространенными и более безопасными, чем литий.
«Эта работа является первым визуальным свидетельством того, что приводит к образованию литиевых дендритов, наночастиц и волокон, обычно встречающихся в перезаряжаемых литиевых батареях, которые со временем накапливаются и приводят к выходу из строя батареи», — сказал ведущий ученый Найджел Браунинг, физик из Департамента. Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории энергетики.Дендритный дистресс
Любой, у кого умирает сотовый телефон, знает, что было бы неплохо, если бы аккумуляторные батареи обладали большей мощностью, работали дольше и были дешевле. Решение этих проблем также может сделать электромобили и возобновляемые источники энергии более привлекательными. Использование металлов, таких как магний или алюминий, вместо лития, может увеличить срок службы и стоимость батарей, но исследования и разработки нелитиевых перезаряжаемых аккумуляторов намного отстают от обычных коммерческих литий-ионных аккумуляторов.
Чтобы ускорить разработку аккумуляторных батарей, Министерство энергетики профинансировало Объединенный центр исследований в области накопления энергии, созданный при сотрудничестве нескольких национальных лабораторий, университетов и компаний частного сектора. Многопрофильные группы ученых исследуют множество проблем, надеясь преодолеть их, понимая основные химические принципы.Например, перезаряжаемые батареи страдают от роста дендритов, микроскопических штыревых волокон, которые поражают электроды батареи.
Недавно исследователи JCESR под руководством PNNL обнаружили способ устранения дендритов в литиевых батареях [http://www.pnl.gov/news/release.aspx?id=4181] с помощью специального электролита. Чтобы лучше понять, как образуются дендриты и как их можно предотвратить на микроскопическом уровне, другая команда JCESR во главе с Найджелом Браунингом из PNNL разработала микроскоп, который мог исследовать полностью работающую батарею в действии.В отличие от других представлений о внутренней работе батарей при большом увеличении, большинство из которых использует только часть батареи или должны изучать их под давлением, обычно не используемым в батареях, команда Браунинга создала полностью функционирующий аккумуляторный элемент в нормальных условиях эксплуатации.«Это очень захватывающая работа», — сказала первый автор Лейла Мехди. «Мы сконструировали настоящую работающую батарею внутри просвечивающего электронного микроскопа.
Преимущество состоит в том, что мы можем непосредственно наблюдать все химические реакции на границе раздела электролит-электрод в реальном времени, как они происходят во время цикла батареи».Микроскопическая ч-ч-ч-зарядка
Для этого команде пришлось настроить просвечивающие электронные микроскопы под свои нужды. В частности, им пришлось преодолеть ущерб, нанесенный высокоэнергетическим лучом микроскопа: электронные микроскопы используют электронные лучи для визуализации того, что находится в поле зрения, как обычный микроскоп использует свет. Команда определила оптимальный способ осветить луч до получения повреждений. Это позволило исследователям многократно заряжать и разряжать крошечную батарею и быть уверенным, что изменения, которые они увидели под прицелом, были вызваны работой батареи, а не самим лучом.
Их экспериментальная батарея содержала платиновый электрод и обычно используемый жидкий электролит батареи, называемый гексафторфосфатом лития в пропиленкарбонате. Работа положительно заряженных ионов лития электролита — собираться на платиновом электроде во время зарядки аккумулятора, где они удерживают электричество до тех пор, пока аккумулятор не будет использован.И ионы лития сделали свое дело. Когда команда закачивала электроны в батарею, ионы лития стекались к электроду, который, казалось, вырастал пучками волос, как у домашних животных Чиа 1970-х.
При разрядке аккумулятора пучки сдулись, но не полностью. Дальнейший анализ показал, что оставшиеся пучки могли быть только металлическим литием из-за их низкой плотности по сравнению с обычно сообщаемыми продуктами распада электролита. Потеря свободных ионов лития в эти сгустки «мертвого лития» снижает производительность батареи.
Кроме того, после разряда на электроде остались трещины. Чем больше циклов зарядки и разрядки, тем больше трещин вырастало и накапливался мертвый литий, часть которого находилась в электролите, а часть — на поверхности электрода.
Важно отметить, что исследователи смогли измерить рост хорошо известного слоя на поверхности электрода, который мешает его работе. Этот слой, получивший название SEI для межфазной границы твердого электролита, образуется из-за взаимодействия между литием и электролитом. В конце концов, SEI предотвращает заряд батареи.
Микроскопическое изображение показало, как быстро образовался слой и где.Хотя эти эксперименты научили их поведению лития, Браунинг сказал, что он более рад применить эту технологию для изучения других металлических анодов, металлов, таких как магний, медь и других, которые могут привести к новому поколению аккумуляторных систем.
«Если вы можете себе это представить, — сказал он, — зачем циклически включать батарею в течение нескольких дней, дней и дней, когда вы знаете, как быстро батарея разряжается? Теперь мы можем сократить время езды на велосипеде и перейти к тестированию индивидуальных характеристик нового химического состава батарей. "