Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, zuverlässige Lithium-Metall-Batterien herzustellen. Diese Hochleistungsspeicherzellen halten 50 % mehr Energie als ihre produktiven Lithium-Ionen-Cousins, aber höhere Ausfallraten und Sicherheitsprobleme wie Brände und Explosionen haben die Kommerzialisierungsbemühungen lahmgelegt. Forscher haben Hypothesen aufgestellt, warum die Geräte versagen, aber direkte Beweise waren spärlich.
Jetzt stellen die ersten nanoskaligen Bilder, die jemals in intakten Lithium-Metall-Knopfbatterien (auch Knopfzellen oder Uhrenbatterien genannt) aufgenommen wurden, vorherrschende Theorien in Frage und könnten dazu beitragen, zukünftige Hochleistungsbatterien, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, sicherer, leistungsstärker und länger zu machen dauerhaft.
„Wir lernen, dass wir auf Lithium-Metall abgestimmte Separatormaterialien verwenden sollten“, sagte die Batteriewissenschaftlerin Katie Harrison, die das Team der Sandia National Laboratories zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Metall-Batterien leitet“, sagte die Wissenschaftlerin.
Internes Nebenprodukt baut sich auf, tötet Batterien
Das Team lud wiederholt Lithium-Knopfzellen mit der gleichen hochintensiven elektrischen Stromstärke, die Elektrofahrzeuge zum Laden benötigen. Einige Zellen durchliefen einige Zyklen, während andere mehr als hundert Zyklen durchliefen. Anschließend wurden die Zellen zur Analyse an Thermo Fisher Scientific in Hillsboro, Oregon, versandt.
Als das Team Bilder des Inneren der Batterien überprüfte, erwarteten sie, nadelförmige Ablagerungen von Lithium zu finden, die die Batterie überspannen. Die meisten Batterieforscher glauben, dass sich nach wiederholten Zyklen ein Lithium-Spike bildet und einen Kunststoffseparator zwischen Anode und Kathode durchschlägt und eine Brücke bildet, die einen Kurzschluss verursacht. Aber Lithium ist ein weiches Metall, daher haben die Wissenschaftler nicht verstanden, wie es durch den Separator gelangen könnte.
Harrisons Team fand einen überraschenden zweiten Schuldigen: eine harte Ablagerung, die sich als Nebenprodukt der internen chemischen Reaktionen der Batterie bildete. Jedes Mal, wenn die Batterie aufgeladen wurde, wuchs das Nebenprodukt, die sogenannte Festelektrolyt-Zwischenphase. Es bedeckte das Lithium und riss Löcher in den Separator, wodurch Öffnungen für Metallablagerungen entstanden, die sich ausbreiten und einen Kurzschluss bilden konnten. Zusammen waren die Lithiumvorkommen und das Nebenprodukt viel zerstörerischer als bisher angenommen und wirkten weniger wie eine Nadel, sondern eher wie ein Schneepflug.
„Der Separator wird komplett zerkleinert“, sagte der Forscher und fügte hinzu, dass dieser Mechanismus nur bei schnellen Laderaten beobachtet wurde, die für Elektrofahrzeug Technologien, aber nicht langsamere Laderaten.
Während Sandia-Wissenschaftler darüber nachdenken, wie man Separatormaterialien modifiziert, sagt der Forscher, dass weitere Forschungen erforderlich sind, um die Bildung von Nebenprodukten zu reduzieren.
Wissenschaftler kombinieren Laser mit Kryotechnik, um „coole“ Bilder aufzunehmen
Die Bestimmung der Todesursache bei einer Knopfzellenbatterie ist überraschend schwierig. Das Problem liegt an seinem Edelstahlgehäuse. Die Metallhülle schränkt das ein, was Diagnosen wie Röntgenstrahlen von außen sehen können, während das Entfernen von Teilen der Zelle zur Analyse die Schichten der Batterie aufreißt und alle Beweise im Inneren verzerrt.
„Wir haben verschiedene Tools, die verschiedene Komponenten einer Batterie untersuchen können, aber wir hatten kein Tool, das alles in einem Bild auflösen kann“, sagte der Forscher.
Der Forscher und seine Mitarbeiter verwendeten ein Mikroskop mit einem Laser, um durch das äußere Gehäuse einer Batterie zu fräsen. Sie kombinierten es mit einem Probenhalter, der den flüssigen Elektrolyten der Zelle bei Temperaturen zwischen minus 148 und minus 184 Grad Fahrenheit (minus 100 bzw. minus 120 Grad Celsius) gefroren hält. Der Laser erzeugt eine Öffnung, die gerade groß genug ist, damit ein schmaler Elektronenstrahl eintreten und auf einen Detektor zurückprallen kann, wodurch ein hochauflösendes Bild des Innenquerschnitts der Batterie mit genügend Details zur Unterscheidung der verschiedenen Materialien geliefert wird.
Das ursprüngliche Demonstrationsgerät, das zu dieser Zeit das einzige derartige Gerät in den Vereinigten Staaten war, wurde gebaut und befindet sich noch immer in einem Labor von Thermo Fisher Scientific in Oregon. Ein aktualisiertes Duplikat befindet sich jetzt bei Sandia. Das Tool wird in Sandia breit eingesetzt, um bei der Lösung vieler Probleme bei der Material- und Fehleranalyse zu helfen.
