電池電極尖端的鋰噴發(fā)，電極體內(nèi)的裂縫以及電極表面形成的涂層表明電池多次充電會導(dǎo)致其死機。
研究人員使用功能強大的顯微鏡觀察實際電池條件下的多次充電和放電循環(huán)，深入了解堵塞可充電鋰電池的化學(xué)成分。這項工作發(fā)表在3月份的Nano Letters雜志上，將幫助研究人員設(shè)計更便宜，功能更強大的可充電電池，其金屬比鋰更普通，更安全。
“這項工作是導(dǎo)致鋰枝晶，納米粒子和纖維形成的第一個視覺證據(jù)，這些鋰枝晶，納米粒子和纖維常見于可充電鋰電池中，隨著時間的推移逐漸積累并導(dǎo)致電池失效，”該部門的物理學(xué)家，首席科學(xué)家奈杰爾·布朗寧說。能源太平洋西北國家實驗室。
樹枝狀的窘迫
任何擁有垂死手機的人都知道，如果可充電電池能夠提供更多電量，持續(xù)時間更長且更便宜，那將會很不錯。解決這些問題也可以使電動汽車和可再生能源更具吸引力。使用諸如鎂或鋁之類的金屬代替鋰可以改善電池壽命和成本，但是對非鋰可充電電池的研究和開發(fā)遠遠落后于普通的商用鋰離子電池。
為加快可充電電池的開發(fā)，能源部資助了能源儲存研究聯(lián)合中心，該中心由多個國家實驗室，大學(xué)和私營企業(yè)合作。多學(xué)科的科學(xué)家團隊探索各種問題，希望通過理解潛在的化學(xué)原理來克服它們。
例如，可充電電池遭受折磨電池電極的枝晶，微觀，針狀纖維的生長。最近，由PNNL領(lǐng)導(dǎo)的JCESR研究人員發(fā)現(xiàn)了一種通過使用特殊電解質(zhì)消除鋰電池中枝晶的方法[ http://www.pnl.gov/news/release.aspx?id=4181 ]。為了更好地理解枝晶的形成和可以在微觀層面上進行預(yù)防，由PNNL的Nigel Browning領(lǐng)導(dǎo)的另一個JCESR團隊設(shè)計了一種顯微鏡，可以檢查一個完整的工作電池。
與其他高倍放大電池內(nèi)部工作方式不同，其中大多數(shù)只使用電池的一部分，或者必須在通常不用于電池的壓力下研究它們，Browning團隊在正常工作條件下創(chuàng)造了一個功能齊全的電池。
“這是非常令人興奮的工作，”第一作者Layla Mehdi說。“我們在透射電子顯微鏡內(nèi)構(gòu)建了一個真正的工作電池。優(yōu)點是我們可以直接觀察電解質(zhì) - 電極界面上的所有化學(xué)反應(yīng)，就像在電池循環(huán)過程中發(fā)生的一樣。”
微觀ch-ch-ch充電
為此，該團隊必須根據(jù)自己的需求定制透射電子顯微鏡。特別是，他們必須克服顯微鏡高能量束所造成的損害：電子顯微鏡使用電子束來觀察視野中的內(nèi)容，就像普通顯微鏡使用光一樣。該團隊確定了在受到傷害之前照射光束的最佳方法。這使研究人員可以反復(fù)充電和放電微電池，并確保他們在電池操作范圍內(nèi)看到的變化是由于電池操作而不是光束本身。
他們的實驗電池采用鉑電極和常用的電池液體電解質(zhì)，稱為碳酸亞丙酯中的六氟磷酸鋰。電解液帶正電的鋰離子的作用是在電池充電時聚集在鉑電極上，在電池使用之前它們保持電力。
鋰離子完成了它們的工作。當(dāng)團隊將電子泵入電池時，鋰離子聚集到電極上，這似乎像1970年代的Chia寵物一樣長出一簇簇的頭發(fā)。
電池放電使簇絨放氣，但不完全。進一步分析顯示，與通常報道的電解質(zhì)分解產(chǎn)物相比，剩余的簇只能是基于其低密度的鋰金屬。向這些“死鋰”團塊中丟失游離鋰離子會降低電池的性能。
另外，在電極上排出左裂縫。更多的充電和放電循環(huán)導(dǎo)致更多裂縫生長并且死鋰積聚，一些在電解質(zhì)內(nèi)，一些在電極表面上。
重要的是，研究人員能夠測量電極表面上眾所周知的層的生長，這會干擾性能。將SEI稱為固體電解質(zhì)中間相，由于鋰與電解質(zhì)之間的相互作用而形成該層。最終SEI會阻止電池充電。顯微成像揭示了層的形成速度和位置。
雖然這些實驗告訴他們有關(guān)鋰的行為，但布朗寧說他更興奮地應(yīng)用這項技術(shù)來研究其他金屬陽極，鎂，銅等金屬以及可能導(dǎo)致新一代電池系統(tǒng)的其他金屬陽極。
“一旦你能想象這一點，”他說，“為什么在你知道電池衰減速度的幾天和幾天內(nèi)循環(huán)使用電池?現(xiàn)在我們可以減少騎行并繼續(xù)測試新電池化學(xué)的個性化特征。 “