Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd betrouwbare lithium-metaalbatterijen te maken. Deze hoogwaardige opslagcellen bevatten 50% meer energie dan hun productieve lithium-ion-neven, maar hogere uitvalpercentages en veiligheidsproblemen zoals branden en explosies hebben de commercialiseringsinspanningen verlamd. Onderzoekers hebben een hypothese opgesteld waarom de apparaten falen, maar direct bewijs is schaars.
De eerste foto's op nanoschaal die ooit zijn gemaakt in intacte lithium-metaal-muntbatterijen (ook wel knoopcellen of horlogebatterijen genoemd) dagen de heersende theorieën uit en zouden kunnen helpen toekomstige krachtige batterijen, zoals voor elektrische voertuigen, veiliger, krachtiger en langer te maken blijvend.
"We leren dat we separatormaterialen moeten gebruiken die zijn afgestemd op lithiummetaal", zegt batterijwetenschapper Katie Harrison, die het team van Sandia National Laboratories leidt voor het verbeteren van de prestaties van lithium-metaalbatterijen, "zei de wetenschapper.
Intern bijproduct bouwt zich op, doodt batterijen
Het team heeft lithium-knoopcellen herhaaldelijk opgeladen en ontladen met dezelfde hoge intensiteit elektrische stroom die elektrische voertuigen nodig hebben om op te laden. Sommige cellen doorliepen een paar cycli, terwijl andere meer dan honderd cycli doormaakten. Vervolgens werden de cellen voor analyse verscheept naar Thermo Fisher Scientific in Hillsboro, Oregon.
Toen het team afbeeldingen van de binnenkant van de batterijen bekeek, verwachtten ze naaldvormige afzettingen van lithium te vinden die de batterij overspannen. De meeste batterijonderzoekers denken dat er zich een lithiumpiek vormt na herhaaldelijk fietsen en dat deze door een plastic scheider tussen de anode en de kathode stoot en een brug vormt die een kortsluiting veroorzaakt. Maar lithium is een zacht metaal, dus wetenschappers hebben niet begrepen hoe het door de afscheider kan komen.
Het team van Harrison vond een verrassende tweede boosdoener: een harde ophoping gevormd als een bijproduct van de interne chemische reacties van de batterij. Elke keer dat de batterij werd opgeladen, groeide het bijproduct, de vaste elektrolyt-interfase. Door het lithium af te dekken, scheurde het gaten in de afscheider, waardoor openingen ontstonden voor metaalafzettingen om zich te verspreiden en een kortsluiting te vormen. Samen waren de lithiumafzettingen en het bijproduct veel destructiever dan eerder werd aangenomen, minder als een naald en meer als een sneeuwploeg.
"De separator is volledig versnipperd", zei de onderzoeker, eraan toevoegend dat dit mechanisme alleen is waargenomen bij hoge laadsnelheden die nodig zijn voor: elektrisch voertuig technologieën, maar niet langzamere laadsnelheden.
Terwijl Sandia-wetenschappers nadenken over het aanpassen van separatormaterialen, zegt de onderzoeker dat verder onderzoek ook nodig zal zijn om de vorming van bijproducten te verminderen.
Wetenschappers combineren lasers met cryogene middelen om 'coole' beelden te maken
Het bepalen van de doodsoorzaak voor een knoopbatterij is verrassend moeilijk. Het probleem komt van de roestvrijstalen behuizing. De metalen schaal beperkt wat diagnostiek, zoals röntgenstralen, van buitenaf kan zien, terwijl het verwijderen van delen van de cel voor analyse de lagen van de batterij uit elkaar scheurt en elk bewijs dat erin zit vervormt.
"We hebben verschillende tools die verschillende componenten van een batterij kunnen bestuderen, maar we hebben echt geen tool gehad die alles in één afbeelding kan oplossen", zei de onderzoeker.
De onderzoeker en zijn medewerkers gebruikten een microscoop met een laser om door de buitenste behuizing van een batterij te frezen. Ze combineerden het met een monsterhouder die de vloeibare elektrolyt van de cel bevroren houdt bij temperaturen tussen min 148 en min 184 graden Fahrenheit (respectievelijk min 100 en min 120 graden Celsius). De laser creëert een opening die net groot genoeg is voor een smalle elektronenstraal om binnen te komen en terug te kaatsen op een detector, waardoor een afbeelding met hoge resolutie van de interne dwarsdoorsnede van de batterij wordt verkregen met voldoende details om de verschillende materialen te onderscheiden.
Het originele demonstratie-instrument, dat destijds het enige instrument was in de Verenigde Staten, werd gebouwd en bevindt zich nog steeds in een Thermo Fisher Scientific-laboratorium in Oregon. Een bijgewerkt duplicaat bevindt zich nu bij Sandia. De tool zal breed worden gebruikt in heel Sandia om te helpen bij het oplossen van veel problemen met materialen en foutenanalyse.
