Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mencoba membuat baterai lithium-metal yang andal. Sel penyimpanan berkinerja tinggi ini menyimpan energi 50% lebih banyak daripada sepupu lithium-ion yang produktif, tetapi tingkat kegagalan yang lebih tinggi dan masalah keamanan seperti kebakaran dan ledakan telah melumpuhkan upaya komersialisasi. Para peneliti telah berhipotesis mengapa perangkat gagal, tetapi bukti langsung sangat jarang.
Sekarang, gambar skala nano pertama yang pernah diambil di dalam baterai koin lithium-metal (juga disebut sel tombol atau baterai arloji) menantang teori yang berlaku dan dapat membantu membuat baterai berkinerja tinggi di masa depan, seperti untuk kendaraan listrik, lebih aman, lebih kuat, dan lebih lama. abadi.
"Kami belajar bahwa kami harus menggunakan bahan pemisah yang disetel untuk logam lithium," kata ilmuwan baterai Katie Harrison, yang memimpin tim Sandia National Laboratories untuk meningkatkan kinerja baterai lithium-logam, kata ilmuwan.
Produk sampingan internal menumpuk, membunuh baterai
Tim berulang kali mengisi dan mengeluarkan sel koin lithium dengan arus listrik intensitas tinggi yang sama dengan yang dibutuhkan kendaraan listrik. Beberapa sel melewati beberapa siklus, sementara yang lain melewati lebih dari seratus siklus. Kemudian, sel-sel itu dikirim ke Thermo Fisher Scientific di Hillsboro, Oregon, untuk dianalisis.
Ketika tim meninjau gambar bagian dalam baterai, mereka berharap menemukan deposit lithium berbentuk jarum yang mencakup baterai. Sebagian besar peneliti baterai berpikir bahwa lonjakan lithium terbentuk setelah siklus berulang dan menembus pemisah plastik antara anoda dan katoda, membentuk jembatan yang menyebabkan hubungan pendek. Tapi lithium adalah logam lunak, jadi para ilmuwan belum mengerti bagaimana bisa melewati pemisah.
Tim Harrison menemukan penyebab kedua yang mengejutkan: penumpukan keras yang terbentuk sebagai produk sampingan dari reaksi kimia internal baterai. Setiap kali baterai diisi ulang, produk sampingan, yang disebut interfase elektrolit padat, tumbuh. Menutup lithium, itu merobek lubang di pemisah, menciptakan bukaan untuk deposit logam menyebar dan membentuk short. Bersama-sama, deposit lithium dan produk sampingannya jauh lebih merusak daripada yang diyakini sebelumnya, bertindak kurang seperti jarum dan lebih seperti bajak salju.
"Pemisah benar-benar robek," kata peneliti, menambahkan bahwa mekanisme ini hanya diamati di bawah tingkat pengisian cepat yang diperlukan untuk kendaraan listrik teknologi, tetapi tingkat pengisian tidak lebih lambat.
Ketika para ilmuwan Sandia berpikir tentang bagaimana memodifikasi bahan pemisah, peneliti mengatakan bahwa penelitian lebih lanjut juga akan diperlukan untuk mengurangi pembentukan produk sampingan.
Para ilmuwan memasangkan laser dengan cryogenics untuk mengambil gambar "keren"
Menentukan penyebab kematian baterai koin ternyata sangat sulit. Masalahnya berasal dari casing baja tahan karatnya. Cangkang logam membatasi apa yang dapat dilihat oleh diagnostik, seperti sinar-X, dari luar, sementara melepas bagian-bagian sel untuk analisis merobek lapisan baterai dan mendistorsi bukti apa pun yang mungkin ada di dalamnya.
“Kami memiliki alat berbeda yang dapat mempelajari berbagai komponen baterai, tetapi sebenarnya kami belum memiliki alat yang dapat menyelesaikan semuanya dalam satu gambar,” kata peneliti.
Peneliti dan kolaboratornya menggunakan mikroskop yang memiliki laser untuk menggiling melalui casing luar baterai. Mereka memasangkannya dengan tempat sampel yang menjaga elektrolit cair sel tetap beku pada suhu antara minus 148 dan minus 184 derajat Fahrenheit (masing-masing minus 100 dan minus 120 derajat Celcius). Laser menciptakan lubang yang cukup besar untuk berkas elektron sempit untuk masuk dan memantul kembali ke detektor, memberikan gambar resolusi tinggi dari penampang internal baterai dengan detail yang cukup untuk membedakan bahan yang berbeda.
Instrumen demonstrasi asli, yang merupakan satu-satunya alat tersebut di Amerika Serikat pada saat itu, dibangun dan masih berada di laboratorium Ilmiah Thermo Fisher di Oregon. Duplikat yang diperbarui sekarang berada di Sandia. Alat ini akan digunakan secara luas di seluruh Sandia untuk membantu memecahkan banyak bahan dan masalah analisis kegagalan.
