Litiummetaalbatterye met soliede elektroliete is 'n belowende tegnologie vanweë hul liggewig, nie-vlambare aard, hoë energiedigtheid en vinnige herlaaivermoë. Hul ontwikkeling is egter belemmer deur die kwessie van kortsluiting en mislukking. Wetenskaplikes by Stanford Universiteit en SLAC National Accelerator Laboratory beweer dat hulle hierdie raaisel opgelos het.
Nuwe litiummetaalbatterye met soliede elektroliete is liggewig, ontvlambaar, pak baie energie in en kan baie vinnig herlaai word, maar hulle was stadig om te ontwikkel as gevolg van geheimsinnige kortsluiting en mislukking. Nou, navorsers by Stanford Universiteit en SLAC Nasionale Versnellerlaboratorium sê hulle het die raaisel opgelos.
Dit kom neer op stres – meganiese spanning om meer presies te wees – veral tydens kragtige herlaai.
"Net beskeie inkeping, buiging of draai van die batterye kan veroorsaak dat nanoskopiese splete in die materiaal oopmaak en litium in die soliede elektroliet indring wat veroorsaak dat dit kortsluit," het senior skrywer William Chueh, 'n medeprofessor in materiaalwetenskap en ingenieurswese in die Skool vir Ingenieurswese, en van energiewetenskappe en ingenieurswese in die nuwe Stanford Doerr Skool vir Volhoubaarheid.
"Selfs stof of ander onsuiwerhede wat in vervaardiging ingebring word, kan genoeg spanning genereer om mislukking te veroorsaak," sê Chueh, wat die navorsing saam met Wendy Gu, 'n assistent-professor in meganiese ingenieurswese, gerig het.
Hierdie kunstenaar se weergawe wys een sonde wat van toegepaste druk buig, wat 'n breuk in die soliede elektroliet veroorsaak, wat besig is om met litium te vul. Aan die regterkant druk die sonde nie soos verlang teen die elektroliet en die litiumplate op die keramiekoppervlak nie. Krediet: Cube3D
Die probleem van onklaar vaste elektroliete is nie nuut nie en baie het die verskynsel bestudeer. Teorieë is volop oor wat presies die oorsaak is. Sommige sê die onbedoelde vloei van elektrone is te blameer, terwyl ander dui op chemie. Nog ander teoretiseer verskillende kragte speel.
In 'n studie wat vandag (30 Januarie) in die joernaal gepubliseer is natuur Energie, mede-hoofskrywers Geoff McConohy, Xin Xu en Teng Cui verduidelik in streng, statisties beduidende eksperimente hoe nanoskaaldefekte en meganiese spanning soliede elektroliete laat misluk. Wetenskaplikes regoor die wêreld wat probeer om nuwe, soliede elektroliet-herlaaibare batterye te ontwikkel, kan rondom die probleem ontwerp of selfs die ontdekking tot hul voordeel verander, soos baie van hierdie Stanford-span nou navorsing doen. Energiedigte, vinnig laaiende, nie-vlambare litiummetaalbatterye wat lank hou, kan die vernaamste hindernisse vir die wydverspreide gebruik van elektriese voertuie oorkom, onder talle ander voordele.
Statistiese betekenis
Baie van vandag se voorste vaste elektroliete is keramiek. Hulle maak vinnige vervoer van litiumione moontlik en skei fisies die twee elektrodes wat energie stoor. Die belangrikste is dat hulle vuurvast is. Maar, soos keramiek in ons huise, kan hulle klein krake op hul oppervlak ontwikkel.
Die navorsers het deur meer as 60 eksperimente getoon dat keramiek dikwels deurspek is met nanoskopiese krake, duike en splete, baie minder as 20 nanometer breed. ('n Vel papier is ongeveer 100,000 XNUMX nanometer dik.) Tydens vinnige laai, sê Chueh en span, gaan hierdie inherente frakture oop, wat litium toelaat om binne te dring.
'n Skandeerelektronmikroskopie-video wat litiumplatering wys soos dit op 'n soliede elektroliet plaasvind. Krediet: Xin Xu, Geoff McConohy en Wenfang Shi
In elke eksperiment het die navorsers 'n elektriese sonde op 'n soliede elektroliet toegepas, 'n miniatuurbattery geskep en 'n elektronmikroskoop gebruik om vinnige laai in reële tyd waar te neem. Daarna het hulle 'n ioonstraal as 'n skalpel gebruik om te verstaan waarom die litium op sommige plekke op die oppervlak van die keramiek versamel, soos verlang, terwyl dit op ander plekke begin ingrawe, dieper en dieper, totdat die litium oor die soliede elektroliet brug , wat 'n kortsluiting skep.
Die verskil is druk. Wanneer die elektriese sonde bloot aan die oppervlak van die elektroliet raak, versamel litium pragtig bo-op die elektroliet, selfs wanneer die battery binne minder as een minuut gelaai word. Wanneer die sonde egter in die keramiekelektroliet druk, wat die meganiese spanning van inkeping, buiging en draaiing naboots, is dit meer waarskynlik dat die battery kortsluit.
Teorie in die praktyk
’n Werklike vastestofbattery word gemaak van lae op lae katode-elektroliet-anode-velle wat bo-op mekaar gestapel is. Die elektroliet se rol is om die katode fisies van die anode te skei, maar laat litiumione vrylik tussen die twee beweeg. As katode en anode op enige manier raak of elektries verbind word, soos deur 'n tonnel van metaallitium, vind 'n kortsluiting plaas.
Soos Chueh en sy span wys, sal selfs 'n subtiele buiging, effense draai of stofvlek wat tussen die elektroliet en die litiumanode vasgevang word, onmerkbare skeure veroorsaak.
“Gegewe die geleentheid om in die elektroliet in te grawe, sal die litium uiteindelik sy pad deurslinger en die katode en anode verbind,” sê McConohy, wat verlede jaar sy doktorsgraad voltooi het in Chueh se laboratorium en nou in die industrie werk. "Wanneer dit gebeur, faal die battery."
Mede-hoofskrywers van die nuwe studie, van links, Xin Yu, Teng Cui en Geoff McConohy sit voor die gefokusde ioonstraal/skandeerelektronmikroskoop wat vir hierdie navorsing gebruik is. Krediet: Xin Xu
Die nuwe begrip is herhaaldelik gedemonstreer, het die navorsers gesê. Hulle het video van die proses opgeneem met behulp van skandeerelektronmikroskope – dieselfde mikroskope wat nie die ontluikende splete in die suiwer ongetoetste elektroliet kon sien nie.
Dit is 'n bietjie soos die manier waarop 'n slaggat in andersins perfekte sypaadjie verskyn, het Xu verduidelik. Deur reën en sneeu stamp motorbande water in die klein, voorafbestaande onvolmaakthede in die sypaadjie, wat steeds groter wordende krake veroorsaak wat mettertyd groei.
"Lithium is eintlik 'n sagte materiaal, maar, soos die water in die slaggat-analogie, is al wat nodig is druk om die gaping te vergroot en 'n mislukking te veroorsaak," het Xu, 'n nadoktorale skolier in Chueh se laboratorium gesê.
Met hul nuwe begrip in die hand, kyk Chueh se span na maniere om hierdie einste meganiese kragte doelbewus te gebruik om die materiaal te verhard tydens vervaardiging, baie soos 'n smid 'n lem uitgloei tydens produksie. Hulle kyk ook na maniere om die elektrolietoppervlak te bedek om krake te voorkom of te herstel as hulle opduik.
"Hierdie verbeterings begin almal met 'n enkele vraag: Hoekom?", het Cui, 'n nadoktorale skolier in Gu se laboratorium, gesê. “Ons is ingenieurs. Die belangrikste ding wat ons kan doen, is om uit te vind hoekom iets gebeur. Sodra ons dit weet, kan ons dinge verbeter.”
Verwysing: "Meganiese regulering van litium-indringingswaarskynlikheid in granaat soliede elektroliete" 30 Januarie 2023, natuur Energie.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Chueh is ook 'n senior genoot by die Precourt Institute for Energy by Stanford, en 'n fakulteitswetenskaplike by SLAC. Mede-outeurs van die studie wat nie hierbo genoem is nie, is Stanford PhD-studente Edward Barks, Sunny Wang en Emma Kaeli, en nadoktorale skolier Celeste Melamed.
Befondsing: Samsung Advanced Institute of Technology, Vehicle Technologies Office, Stanford StorageX Initiative
