На протяжении десятилетий ученые пытались создать надежные литий-металлические батареи. Эти высокопроизводительные аккумуляторы содержат на 50% больше энергии, чем их многочисленные литий-ионные собратья, но более высокая частота отказов и проблемы безопасности, такие как пожары и взрывы, подрывают усилия по коммерциализации. Исследователи выдвинули гипотезу, почему устройства выходят из строя, но прямых доказательств мало.
Теперь первые наномасштабные изображения, когда-либо сделанные внутри неповрежденных литий-металлических батареек (также называемых кнопочными элементами или батареями для часов), бросают вызов преобладающим теориям и могут помочь сделать будущие высокопроизводительные батареи, например для электромобилей, безопаснее, мощнее и долговечнее прочный.
«Мы узнаем, что нам следует использовать разделительные материалы, настроенные на металлический литий», - сказала ученый, занимающийся вопросами батарей, Кэти Харрисон, возглавляющая команду Sandia National Laboratories по улучшению характеристик литий-металлических батарей.
Накапливаются внутренние побочные продукты, убивающие батареи
Команда неоднократно заряжала и разряжала литиевые батарейки с помощью того же электрического тока высокой интенсивности, который требуется для зарядки электромобилей. Некоторые клетки прошли несколько циклов, а другие - более сотни циклов. Затем клетки были отправлены в Thermo Fisher Scientific в Хиллсборо, штат Орегон, для анализа.
Когда команда изучила изображения внутренней части батарей, они ожидали обнаружить игольчатые отложения лития, покрывающие батарею. Большинство исследователей аккумуляторов думают, что после повторяющихся циклов образуется литиевая игла, которая пробивает пластиковый разделитель между анодом и катодом, образуя мостик, который вызывает короткое замыкание. Но литий - мягкий металл, поэтому ученые не поняли, как он может пройти через сепаратор.
Команда Харрисона обнаружила неожиданного второго виновника: твердые наросты, образовавшиеся как побочный продукт внутренних химических реакций батареи. Каждый раз, когда аккумулятор перезаряжался, количество побочного продукта, называемого межфазным твердым электролитом, увеличивалось. Покрывая литий, он рвал отверстия в сепараторе, создавая отверстия для металлических отложений, которые распространялись и образовывали короткое замыкание. Вместе отложения лития и побочный продукт были гораздо более разрушительными, чем считалось ранее, действуя не как игла, а больше как снегоочиститель.
«Сепаратор полностью измельчен», - сказал исследователь, добавив, что этот механизм наблюдается только при высокой скорости зарядки, необходимой для электрических транспортных средств технологии, но не более низкие скорости зарядки.
Пока ученые Sandia думают о том, как модифицировать материалы сепаратора, исследователь говорит, что потребуются дальнейшие исследования, чтобы уменьшить образование побочных продуктов.
Ученые соединяют лазеры с криогенной техникой, чтобы делать «крутые» снимки
Определить причину смерти монетной батарейки на удивление сложно. Беда в его корпусе из нержавеющей стали. Металлическая оболочка ограничивает то, что диагностические средства, такие как рентгеновские лучи, могут видеть снаружи, в то время как удаление частей ячейки для анализа разрывает слои батареи и искажает все доказательства, которые могут быть внутри.
«У нас есть разные инструменты, которые могут изучать разные компоненты батареи, но на самом деле у нас не было инструмента, который мог бы решить все на одном изображении», - сказал исследователь.
Исследователь и его сотрудники использовали микроскоп с лазером для фрезерования внешнего корпуса батареи. Они соединили его с держателем образца, который сохраняет жидкий электролит ячейки замороженным при температурах от минус 148 до минус 184 градусов по Фаренгейту (минус 100 и минус 120 градусов Цельсия соответственно). Лазер создает отверстие, достаточно большое для того, чтобы узкий электронный луч мог войти в детектор и отразиться на нем, обеспечивая изображение с высоким разрешением внутреннего поперечного сечения батареи с достаточной детализацией, чтобы различать различные материалы.
Оригинальный демонстрационный прибор, который в то время был единственным подобным инструментом в Соединенных Штатах, был построен и до сих пор находится в лаборатории Thermo Fisher Scientific в Орегоне. Обновленный дубликат теперь находится в Sandia. Этот инструмент будет широко использоваться в Sandia для решения многих проблем с материалами и анализом отказов.
