Nieuw onderzoek beschrijft de evolutie van nanostructurele lithiumatomen (blauw) die zich afzetten op een elektrode (geel) tijdens het opladen van de batterij. Afbeelding met dank aan Idaho National Laboratory
Onderzoekers van het Idaho National Laboratory die samenwerken met de Universiteit van Californië, San Diego, hebben verbeteringen in het laadgedrag aangetoond. De bevindingen suggereren strategieën die het opladen verbeteren en de levensduur van de batterij verlengen. Het overtuigende onderzoek voor het maken van glasachtige metalen:
Vergeleken met kristallijn lithium presteert glasachtig lithium beter in elektrochemische omkeerbaarheid en is het een gewenste structuur voor oplaadbare batterijen met hoge energie, schreven de auteurs."
De studie gepubliceerd in Nature Materials door Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Glazige Li-metaalanode voor hoogwaardige oplaadbare Li-batterijen. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1
Hier werd cryogene transmissie-elektronenmicroscopie gebruikt om de evoluerende nanostructuur van Li-metaalafzettingen in verschillende voorbijgaande toestanden in het nucleatie- en groeiproces te onthullen, waarbij een faseovergang van wanorde naar volgorde werd waargenomen als een functie van stroomdichtheid en depositietijd . De atomaire interactie over brede ruimtelijke en temporele schalen werd weergegeven door reactieve moleculaire dynamica-simulaties om te helpen bij het begrijpen van de kinetiek. Vergeleken met kristallijn Li presteert glasachtig Li beter in elektrochemische omkeerbaarheid en heeft het een gewenste structuur voor oplaadbare Li-batterijen met hoge energie.
Onze bevindingen correleren de kristalliniteit van de kernen met de daaropvolgende groei van de nanostructuur en morfologie, en bieden strategieën om de mesostructuur van Li-metaal te controleren en vorm te geven om hoge prestaties in oplaadbare Li-batterijen te bereiken.
—Wang et al.
Volledig verhaal:
Oorspronkelijk gepubliceerd door Idaho National Laboratory
Materiaalwetenschappers die de eerste paar momenten van het opladen van de batterij onder de loep namen, stuitten op een verbazingwekkende entiteit. Hun ontdekking tartte verwachtingen, logica en ervaring. Wat nog belangrijker is, het kan de deur openen naar betere batterijen, snellere katalysatoren en andere materiaalwetenschappelijke sprongen.
Wetenschappers van het Idaho National Laboratory en de University of California San Diego onderzochten de vroegste stadia van het opladen van lithium op atomair niveau. Tot hun verbazing ontdekten ze dat langzaam opladen met lage energie ervoor zorgde dat lithiumatomen zich op een ongeorganiseerde manier op elektroden afzetten, wat het laadgedrag verbetert. Dit niet-kristallijne "glasachtige" lithium was nog nooit waargenomen en het maken van dergelijke amorfe metalen was van oudsher buitengewoon moeilijk.
De bevindingen suggereren strategieën voor het verfijnen van oplaadmethoden om de levensduur van de batterij te verlengen en - intrigerend - voor het maken van glasachtige metalen voor andere toepassingen. Het onderzoek verscheen deze week online in Nature Materials .
Lithiummetaal wordt beschouwd als een ideale anode voor oplaadbare batterijen met hoge energie, die lichtgewicht moeten zijn en toch veel energie moeten opslaan. Het opladen van dergelijke batterijen omvat het afzetten van lithiumatomen op het anode-oppervlak, een proces dat op atomair niveau niet goed wordt begrepen.
Wetenschappers weten dat lithium-metaalanoden onregelmatig kunnen opladen en daardoor niet veel oplaadcycli kunnen weerstaan. De manier waarop lithiumatomen zich op de anode afzetten, kan per oplaadcyclus verschillen, waarschijnlijk beïnvloed door de vroegste verzameling van de eerste paar atomen, een proces dat bekend staat als nucleatie.
"Die initiële kiemvorming kan van invloed zijn op de prestaties, veiligheid en betrouwbaarheid van uw batterij", zegt Gorakh Pawar, een INL-stafwetenschapper en een van de twee hoofdauteurs van het artikel. "Het is van cruciaal belang om het onderliggende mechanisme van lithiumafzetting te begrijpen ... vooral in het zeer vroege stadium van nucleatie", schreven ze.
Om te ontdekken hoe lithiumatomen voor het eerst samenkomen tijdens het opladen, combineerden de onderzoekers beelden en analyses van een krachtige elektronenmicroscoop met vloeibare stikstofkoeling en computermodellering. De baanbrekende cryo-state elektronenmicroscopie-aanpak stelde hen in staat om de vorming van lithium-metaal-"embryo's" te zien, en de computersimulaties hielpen verklaren wat ze zagen.
Lithium bestaat, net als andere metalen, meestal in een gestructureerde kristallijne fase. Dergelijk "korrelig" lithium kan leiden tot inconsistent opladen en kortsluiting omdat kristallen in verschillende vormen kunnen groeien, zei Pawar. Inconsistente voortgang van lithiumgroei van de ene oplaadcyclus naar de andere resulteert in onregelmatige vormen (ook wel dendrieten genoemd) en kan de levensduur van de batterij verkorten.
Toen het onderzoeksteam het initiële kiemvormingsproces probeerde te begrijpen, waren ze verrast om te horen dat bepaalde omstandigheden een minder gestructureerde vorm van lithium creëerden die amorf was (zoals glas) in plaats van kristallijn (zoals diamant).
"De kracht van cryogene beeldvorming om nieuwe fenomenen in de materiaalwetenschap te ontdekken, wordt in dit werk getoond", zegt Shirley Meng, die leiding gaf aan het baanbrekende cryomicroscopiewerk van UC San Diego. Ze zei dat de verkregen beeldvormings- en spectroscopische gegevens vaak ingewikkeld en gecompliceerd zijn, en merkte op:"Het is echt teamwerk dat ons in staat heeft gesteld de experimentele gegevens met vertrouwen te interpreteren, omdat de computationele modellering hielp om de complexiteit te ontcijferen."
Vergeleken met kristallijn lithium presteert glasachtig lithium beter in elektrochemische omkeerbaarheid en is het een gewenste structuur voor oplaadbare batterijen met hoge energie", schreven de auteurs. De bevinding kwam als een schok omdat pure amorfe elementaire metalen nog nooit eerder waren waargenomen. Ze zijn buitengewoon moeilijk te produceren en er zijn slechts enkele metaalmengsels (legeringen) waargenomen met een "glasachtige" configuratie, die krachtige materiaaleigenschappen verleent.
Bovendien ontdekte het team dat een glasachtig lithiumembryo meer kans heeft om zijn amorfe structuur tijdens de groei te behouden. Terwijl de onderzoekers probeerden te begrijpen welke omstandigheden glazige kiemvorming bevorderden, waren ze opnieuw geschokt.
"We kunnen amorf metaal maken in zeer milde omstandigheden met een zeer lage laadsnelheid", zegt Boryann Liaw, een INL-directoraat en INL-leider over het werk. "Het is nogal verrassend."
Die uitkomst was contra-intuïtief omdat men dacht dat de lage afzettingssnelheden de atomen in staat zouden stellen hun weg te vinden naar een geordende reeks - korrelig lithium. Om onder dergelijke omstandigheden glasachtig lithium te vinden, werd als ondenkbaar beschouwd, zei Liaw. Modelleringswerk legde uit hoe reactiekinetiek concurreert met kristallisatie om de glasachtige formatie aan te drijven. Het team bevestigde die bevindingen door glasachtige vormen van vier meer reactieve metalen te creëren die aantrekkelijk zijn voor batterijtoepassingen.
Het onderzoek suggereert hoe glasachtige lithiumafzettingen tijdens het opladen van energierijke batterijen beter kunnen worden bereikt. Wanneer het resultaat wordt toegepast, kan het helpen om de doelen te bereiken van het Battery500-consortium, een initiatief van het Department of Energy dat het onderzoek financierde. Het consortium wil commercieel levensvatbare batterijen voor elektrische voertuigen ontwikkelen met een specifieke energie op celniveau van 500 Wh/kg.
"De echte innovatie moet komen van een zeer basaal wetenschappelijk begrip van materialen of processen," zei Liaw. Bovendien zou dit nieuwe begrip kunnen leiden tot effectievere metaalkatalysatoren, sterkere metaalcoatings en andere toepassingen die baat kunnen hebben bij glasachtige metalen.
.Correlatie tussen kristalliniteit van Li-metaal en prestaties (links) en strategieën om betere prestaties te bereiken (rechts). De prestatie (links) wordt gespecificeerd als de elektrochemische prestatie van Li-metaal als anode voor Li-metaalbatterijen, inclusief hoge Coulomb-efficiëntie (CE), lange levensduur, lage volumeverandering en afwezigheid van Li-dendrieten. De structurele verbinding wordt het vermogen genoemd om het elektronische en ionische pad voor ladingsoverdracht en ionentransport te behouden; een slechte structurele verbinding zal verloren elektrochemische activiteit vergemakkelijken en 'dode' Li vormen. De elektrochemische omkeerbaarheid wordt gemeten door de inhoudsverhouding van het gestripte Li door geplateerd Li, dat dicht bij 100% zou moeten zijn. De ideale afzettingsdichtheid moet consistent zijn met de theoretische dichtheid van Li-metaal (0,534 g cm–3). De voorgestelde strategieën, zoals het gebruik van het 3D-substraat, het veranderen van de stroomdichtheid, technische interfase en het ontwerpen van elektrolyten, kunnen de energieoverdracht en massaoverdracht van EDLi tijdens nucleatie en groei veranderen, wat resulteert in een gevarieerde kristalliniteit van EDLi. Wang et al.
