Bilim insanları onlarca yıldır güvenilir lityum-metal piller üretmeye çalışıyor. Bu yüksek performanslı depolama hücreleri, üretken lityum iyon kuzenlerinden %50 daha fazla enerji tutuyor, ancak daha yüksek arıza oranları ve yangın ve patlama gibi güvenlik sorunları, ticarileştirme çabalarını sekteye uğrattı. Araştırmacılar cihazların neden arızalandığına dair hipotezler öne sürüyor ancak doğrudan kanıtlar çok az.
Şimdi, sağlam, lityum metal madeni para pillerinin (düğme piller veya saat pilleri olarak da bilinir) içinde çekilen ilk nano ölçekli görüntüler, mevcut teorilere meydan okuyor ve elektrikli araçlar gibi gelecekteki yüksek performanslı pillerin daha güvenli, daha güçlü ve daha uzun süre yapılmasına yardımcı olabilir. kalıcı.
Sandia Ulusal Laboratuvarları'nın lityum metal pillerin performansını artırma ekibine liderlik eden pil bilimcisi Katie Harrison, "Lityum metal için ayarlanmış ayırıcı malzemeleri kullanmamız gerektiğini öğreniyoruz" dedi.
Dahili yan ürün birikerek pilleri öldürür
Ekip, lityum madeni para hücrelerini, elektrikli araçların şarj etmesi gereken aynı yüksek yoğunluklu elektrik akımıyla tekrar tekrar şarj edip boşalttı. Bazı hücreler birkaç döngüden geçerken bazıları yüzden fazla döngüden geçti. Daha sonra hücreler analiz için Hillsboro, Oregon'daki Thermo Fisher Scientific'e gönderildi.
Ekip, pillerin iç kısımlarını incelediğinde, pil boyunca uzanan iğne şeklinde lityum birikintileri bulmayı beklediler. Çoğu pil araştırmacısı, tekrarlanan döngülerden sonra bir lityum sivri uçunun oluştuğunu ve anot ile katot arasındaki plastik ayırıcıyı delerek kısa devreye neden olan bir köprü oluşturduğunu düşünüyor. Ancak lityum yumuşak bir metal olduğundan bilim insanları onun ayırıcıdan nasıl geçebileceğini anlayamadılar.
Harrison'ın ekibi şaşırtıcı bir ikinci suçlu buldu: Pilin iç kimyasal reaksiyonlarının bir yan ürünü olarak oluşan sert bir birikim. Pil her yeniden şarj edildiğinde, katı elektrolit ara fazı adı verilen yan ürün büyüyordu. Lityumun kapağını kapatarak ayırıcıda delikler açarak metal birikintilerinin yayılması ve kısa devre oluşturması için açıklıklar yarattı. Lityum birikintileri ve yan ürün birlikte, daha önce inanıldığından çok daha yıkıcıydı; bir iğne gibi değil, daha çok bir kar temizleme aracı gibi hareket ediyordu.
Araştırmacı, "Ayırıcı tamamen parçalanmış durumda" dedi ve bu mekanizmanın yalnızca hızlı şarj oranlarında gözlemlendiğini ekledi. elektrikli araç teknolojiler, ancak daha yavaş şarj oranları değil.
Sandia bilim insanları ayırıcı malzemeleri nasıl değiştireceklerini düşünürken araştırmacı, yan ürünlerin oluşumunu azaltmak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulacağını söylüyor.
Bilim insanları “havalı” görüntüler elde etmek için lazerleri kriyojenik teknolojiyle eşleştiriyor
Madeni para pilinin ölüm nedenini belirlemek şaşırtıcı derecede zordur. Sorun paslanmaz çelik kasasından kaynaklanıyor. Metal kabuk, X ışınları gibi teşhis cihazlarının dışarıdan görebileceklerini sınırlarken, analiz için hücrenin bazı kısımlarını çıkarmak, pilin katmanlarını parçalıyor ve içeride olabilecek her türlü kanıtı bozuyor.
Araştırmacı, "Bir pilin farklı bileşenlerini inceleyebilecek farklı araçlarımız var, ancak aslında her şeyi tek bir görüntüde çözebilecek bir aracımız yok" dedi.
Araştırmacı ve işbirlikçileri, pilin dış kaplamasını frezelemek için lazerli bir mikroskop kullandılar. Bunu, hücrenin sıvı elektrolitini eksi 148 ila eksi 184 Fahrenheit (sırasıyla eksi 100 ve eksi 120 santigrat derece) arasındaki sıcaklıklarda donmuş halde tutan bir numune tutucuyla eşleştirdiler. Lazer, dar bir elektron ışınının girip dedektöre geri dönmesine yetecek kadar büyük bir açıklık oluşturarak, pilin iç kesitinin yüksek çözünürlüklü bir görüntüsünü, farklı malzemeleri ayırt etmeye yetecek kadar ayrıntıyla birlikte sunar.
O zamanlar Amerika Birleşik Devletleri'nde bu tür tek araç olan orijinal gösteri aracı inşa edildi ve halen Oregon'daki Thermo Fisher Scientific laboratuvarında bulunuyor. Güncellenmiş bir kopyası artık Sandia'da bulunuyor. Araç, birçok malzeme ve arıza analizi sorununun çözülmesine yardımcı olmak için Sandia genelinde geniş çapta kullanılacak.
