เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลที่เชื่อถือได้ เซลล์จัดเก็บประสิทธิภาพสูงเหล่านี้มีพลังงานมากกว่าเซลล์ลิเธียมไอออนที่อุดมสมบูรณ์ถึง 50% แต่อัตราความล้มเหลวที่สูงขึ้นและปัญหาด้านความปลอดภัย เช่น ไฟไหม้และการระเบิดได้ทำให้ความพยายามในเชิงพาณิชย์แย่ลง นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าเหตุใดอุปกรณ์จึงล้มเหลว แต่มีหลักฐานโดยตรงไม่มากนัก
ตอนนี้ ภาพระดับนาโนภาพแรกที่ถ่ายภายในแบตเตอรี่แบบเหรียญลิเธียมที่ไม่เสียหาย (เรียกอีกอย่างว่าเซลล์ปุ่มหรือแบตเตอรี่นาฬิกา) ท้าทายทฤษฎีที่มีอยู่มากมาย และสามารถช่วยในการผลิตแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงในอนาคต เช่น สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า ปลอดภัยกว่า ทรงพลังกว่า และใช้งานได้นานขึ้น ยาวนาน
Katie Harrison นักวิทยาศาสตร์ด้านแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นผู้นำทีมของ Sandia National Laboratories เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมโลหะ กล่าวว่า "เรากำลังเรียนรู้ว่าเราควรใช้วัสดุแยกสำหรับโลหะลิเธียม
ผลพลอยได้ภายในสะสม ฆ่าแบตเตอรี่
ทีมงานได้ชาร์จและปล่อยเซลล์เหรียญลิเธียมซ้ำๆ ด้วยกระแสไฟฟ้าความเข้มสูงแบบเดียวกับที่ยานพาหนะไฟฟ้าจำเป็นต้องชาร์จ เซลล์บางเซลล์ต้องผ่านวัฏจักรสองสามรอบ ในขณะที่บางเซลล์ผ่านมากกว่าร้อยรอบ จากนั้นเซลล์ถูกส่งไปยัง Thermo Fisher Scientific ในเมืองฮิลส์โบโร รัฐโอเรกอน เพื่อทำการวิเคราะห์
เมื่อทีมตรวจสอบภาพด้านในของแบตเตอรี่ พวกเขาคาดว่าจะพบคราบลิเธียมรูปเข็มซึ่งแผ่ขยายไปทั่วแบตเตอรี่ นักวิจัยด้านแบตเตอรีส่วนใหญ่คิดว่าลิเธียมสไปค์เกิดขึ้นหลังจากการปั่นจักรยานซ้ำๆ และเจาะผ่านตัวคั่นพลาสติกระหว่างแอโนดและแคโทด ทำให้เกิดสะพานที่ทำให้เกิดการลัดวงจร แต่ลิเธียมเป็นโลหะอ่อน ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงไม่เข้าใจว่าลิเธียมจะผ่านตัวคั่นได้อย่างไร
ทีมของแฮร์ริสันพบผู้ร้ายรายที่สองที่น่าประหลาดใจ: การสะสมตัวอย่างหนักซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีภายในของแบตเตอรี่ ทุกครั้งที่ชาร์จแบตเตอรี่ ผลพลอยได้ที่เรียกว่าโซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟสจะเพิ่มขึ้น ฝาปิดลิเธียมจะเจาะรูในตัวคั่น ทำให้เกิดช่องสำหรับคราบโลหะที่จะกระจายออกและก่อตัวเป็นช่องสั้นๆ การสะสมของลิเธียมและผลพลอยได้มีอันตรายมากกว่าที่เคยเชื่อกันมาก โดยทำหน้าที่เหมือนเข็มน้อยลงและเหมือนรถไถหิมะ
“ตัวคั่นถูกฉีกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย” นักวิจัยกล่าว พร้อมเสริมว่ากลไกนี้ได้รับการสังเกตภายใต้อัตราการชาร์จที่รวดเร็วซึ่งจำเป็นเท่านั้นสำหรับ ยานพาหนะไฟฟ้า เทคโนโลยีแต่ไม่ทำให้อัตราการชาร์จช้าลง
ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ของ Sandia คิดเกี่ยวกับวิธีการปรับเปลี่ยนวัสดุตัวแยก นักวิจัยกล่าวว่าจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อลดการก่อตัวของผลพลอยได้
นักวิทยาศาสตร์จับคู่เลเซอร์กับไครโอเจนิคส์เพื่อถ่ายภาพที่ "เจ๋ง"
การระบุสาเหตุการเสียชีวิตของแบตเตอรี่แบบเหรียญนั้นยากอย่างน่าประหลาดใจ ปัญหามาจากตัวเรือนสแตนเลส เปลือกโลหะจำกัดสิ่งที่วินิจฉัยได้ เช่น รังสีเอกซ์ ที่สามารถมองเห็นได้จากภายนอก ในขณะที่การถอดส่วนต่าง ๆ ของเซลล์เพื่อทำการวิเคราะห์จะแยกชั้นของแบตเตอรี่ออกจากกันและบิดเบือนหลักฐานที่อาจอยู่ภายใน
“เรามีเครื่องมือต่างๆ ที่สามารถศึกษาส่วนประกอบต่างๆ ของแบตเตอรี่ได้ แต่จริงๆ แล้ว เราไม่มีเครื่องมือที่สามารถแก้ไขทุกอย่างในภาพเดียวได้” นักวิจัยกล่าว
นักวิจัยและผู้ทำงานร่วมกันใช้กล้องจุลทรรศน์ที่มีเลเซอร์เพื่อบดผ่านปลอกด้านนอกของแบตเตอรี่ พวกเขาจับคู่กับตัวยึดตัวอย่างที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์เหลวของเซลล์แข็งตัวที่อุณหภูมิระหว่างลบ 148 ถึงลบ 184 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 100 และลบ 120 องศาเซลเซียสตามลำดับ) เลเซอร์สร้างช่องเปิดที่ใหญ่พอที่ลำแสงอิเล็กตรอนแคบจะเข้าไปและสะท้อนกลับเข้าไปในเครื่องตรวจจับ ทำให้ได้ภาพที่มีความละเอียดสูงของส่วนตัดขวางภายในของแบตเตอรี่ซึ่งมีรายละเอียดเพียงพอที่จะแยกแยะความแตกต่างของวัสดุต่างๆ
เครื่องมือสาธิตดั้งเดิมซึ่งเป็นเครื่องมือดังกล่าวเพียงเครื่องมือเดียวในสหรัฐอเมริกาในขณะนั้น ถูกสร้างขึ้นและยังคงอยู่ที่ห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ของเทอร์โมฟิชเชอร์ในรัฐโอเรกอน สำเนาที่อัปเดตตอนนี้อยู่ที่ Sandia เครื่องมือนี้จะถูกใช้อย่างกว้างขวางใน Sandia เพื่อช่วยแก้ปัญหาด้านวัสดุและการวิเคราะห์ความล้มเหลวจำนวนมาก
