Selama beberapa dekad, saintis telah berusaha untuk membuat bateri logam litium yang boleh dipercayai. Sel penyimpanan berprestasi tinggi ini menyimpan 50% lebih banyak tenaga daripada sepupu lithium-ion produktif mereka, tetapi kadar kegagalan dan masalah keselamatan yang lebih tinggi seperti kebakaran dan letupan telah melumpuhkan usaha pengkomersialan. Para penyelidik telah membuat hipotesis mengapa peranti tersebut gagal, tetapi bukti langsung jarang berlaku.
Kini, gambar skala nano pertama yang pernah diambil di dalam bateri koin litium-logam yang utuh (juga disebut sel butang atau bateri jam tangan) mencabar teori yang berlaku dan dapat membantu menjadikan bateri berprestasi tinggi di masa depan, seperti untuk kenderaan elektrik, lebih selamat, lebih kuat dan lebih lama tahan lama.
"Kami belajar bahawa kami harus menggunakan bahan pemisah yang disetel untuk logam litium," kata saintis bateri Katie Harrison, yang mengetuai pasukan Laboratorium Nasional Sandia untuk meningkatkan prestasi bateri logam litium, "kata saintis.
Produk sampingan dalaman bertambah, membunuh bateri
Pasukan ini berulang kali mengecas dan melepaskan sel koin litium dengan arus elektrik intensiti tinggi yang sama dengan yang perlu dicas oleh kenderaan elektrik. Beberapa sel melalui beberapa kitaran, sementara yang lain menjalani lebih dari seratus kitaran. Kemudian, sel dihantar ke Thermo Fisher Scientific di Hillsboro, Oregon, untuk dianalisis.
Ketika pasukan mengkaji gambar bahagian dalam bateri, mereka menjangkakan akan menemukan simpanan lithium berbentuk jarum yang merangkumi bateri. Sebilangan besar penyelidik bateri berpendapat bahawa lonjakan litium terbentuk setelah berbasikal berulang dan ia menembusi melalui pemisah plastik antara anod dan katod, membentuk jambatan yang menyebabkan sesak. Tetapi litium adalah logam lembut, jadi saintis belum memahami bagaimana ia dapat melalui pemisah.
Pasukan Harrison menemui pelakunya kedua yang mengejutkan: penumpukan keras yang terbentuk sebagai produk sampingan reaksi kimia dalaman bateri. Setiap kali bateri diisi semula, produk sampingan, yang disebut interphase elektrolit pepejal, bertambah. Mengunci litium, ia mengoyak lubang di pemisah, membuat bukaan untuk deposit logam menyebar dan membentuk lubang pendek. Bersama-sama, deposit litium dan produk sampingannya jauh lebih merosakkan daripada yang dipercayai sebelumnya, bertindak kurang seperti jarum dan lebih mirip seperti salji salji.
"Pemisah benar-benar hancur," kata penyelidik, sambil menambah bahawa mekanisme ini hanya diperhatikan di bawah kadar pengisian cepat yang diperlukan untuk kenderaan elektrik teknologi, tetapi bukan kadar pengecasan yang lebih perlahan.
Oleh kerana para saintis Sandia memikirkan bagaimana mengubah bahan pemisah, penyelidik mengatakan bahawa penyelidikan lebih lanjut juga diperlukan untuk mengurangkan pembentukan produk sampingan.
Para saintis memasangkan laser dengan kriogenik untuk mengambil gambar "sejuk"
Menentukan punca kematian bateri duit syiling sangat sukar. Masalahnya timbul dari sarung keluli tahan karatnya. Cengkerang logam menghadkan apa yang dapat dilihat oleh diagnostik, seperti sinar-X dari luar, sambil mengeluarkan bahagian sel untuk analisis merobek lapisan bateri dan memutarbelitkan bukti yang terdapat di dalamnya.
"Kami mempunyai alat yang berbeza yang dapat mempelajari berbagai komponen baterai, tetapi sebenarnya kami belum memiliki alat yang dapat menyelesaikan semuanya dalam satu gambar," kata penyelidik.
Penyelidik dan kolaboratornya menggunakan mikroskop yang mempunyai laser untuk menggiling melalui selongsong luar bateri. Mereka memasangkannya dengan pemegang sampel yang membuat elektrolit cair sel beku pada suhu antara minus 148 dan minus 184 darjah Fahrenheit (masing-masing minus 100 dan minus 120 darjah Celsius). Laser membuat bukaan yang cukup besar untuk sinar elektron yang sempit untuk masuk dan melantun kembali ke pengesan, memberikan gambar resolusi tinggi bahagian silang dalaman bateri dengan perincian yang cukup untuk membezakan bahan yang berbeza.
Instrumen demonstrasi asli, yang merupakan satu-satunya alat seperti itu di Amerika Syarikat pada masa itu, dibina dan masih tinggal di makmal Thermo Fisher Scientific di Oregon. Pendua yang dikemas kini kini berada di Sandia. Alat ini akan digunakan secara meluas di Sandia untuk membantu menyelesaikan banyak bahan dan masalah analisis kegagalan.
