Warum ist es so schwierig, Batterien kleiner und leichter zu machen?

Die Wissenschaft

Flache Knopfzellenbatterien (wie sie in Uhren verwendet werden) gibt es schon seit Jahrzehnten. Aber die Kombination aus festen und flüssigen Komponenten macht es sehr schwer zu erkennen, wie die Komponenten in diesen Batterien versagen. Um mehr zu erfahren, froren Wissenschaftler eine ganze Batterie ein und schnitten sie mit einem auf Super schnell Laser und machte Bilder der interagierenden Komponenten im mikroskopischen Maßstab. Sie wollten wissen, warum Lithium-Metall-Batterien, die mehr Batterieenergie speichern sollen, beim reversiblen Laden und Entladen deutlich schneller ausfallen als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Der Aufprall

Lithium Batterien Die Verwendung von Metallanoden könnte zukünftige Batterien kleiner und leichter machen, aber diese Batterien haben nur begrenzte Wiederaufladbarkeits- und Sicherheitsbedenken. Eine Theorie besagte, dass das Lithium harte Spitzen („Dendriten“) bildete, die Löcher in den Separator bohrten. Diese Dendriten würden Elektrizität in Wärme umwandeln und einen Brand verursachen. Indem Wissenschaftler jedoch eine Batterie einfrierten und sie mit hoher Vergrößerung abbildeten, zeigten sie, dass das Lithium mit dem flüssigen Elektrolyten reagierte und feste Massen bildete, die den Separator von innen nach außen zerfetzten. Dieses überraschende Ergebnis wird Ingenieuren helfen, bessere Batterien herzustellen. Ebenso wichtig ist, dass Wissenschaftler diese Technik anpassen können, um mehr Geheimnisse aufzudecken, die in anderen komplexen Fest-Flüssigkeits-Umgebungen auftreten.

Zusammenfassung

Ein Lithiumbatteriestapel umfasst zwei Elektroden, einen Separator und eine Kathode. Diese Komponenten sind alle in einem flüssigen Elektrolyten getränkt. Beim Laden/Entladen bewegt sich das Lithium zwischen den Elektroden hin und her. Lithium-Metall-Batterien ermöglichen eine gleichwertige Energiespeicherung in Batterien, die kleiner und leichter sind als die derzeitige Technologie für tragbare Elektronikgeräte und Elektrofahrzeuge, sie stellen jedoch Herausforderungen hinsichtlich Lebensdauer und Sicherheit dar. Leider interagiert das mobile Lithiummetall beim Laden und Entladen der Lithiummetallbatterie stark mit den meisten flüssigen Elektrolyten und bildet unregelmäßige feste Massen von Chemikalien („Festelektrolyt-Grenzfläche“). [SEI]). Zuvor war den Wissenschaftlern diese SEI-Formation bekannt, sie konnten die festen und flüssigen Bestandteile jedoch nicht sehen, ohne sie zu beschädigen.

Durch das Einfrieren der gesamten Batterie, das Aufschneiden mit einem Laser (der so schnell schneidet, dass die Batterie nicht schmilzt) und die Betrachtung im gefrorenen Zustand mit einem Elektronenmikroskop konnte ein Forscherteam schließlich den Batterieausfall beobachten. Sie beobachteten, dass SEI entweder die Bewegung des Lithiums vollständig blockiert (was zu einer kurzen Lebensdauer führt) oder eine Lithiumspur zwischen den beiden Elektroden festhält (was zu Brandgefahr führt). Sie beobachteten auch, dass sich SEI in der gesamten Batterie bildet, wobei das SEI-Wachstum den Separator von innen nach außen zerstört. Dieses Verständnis ist ein Schritt zur Herstellung besserer und sichererer Batterien. Die Idee, andere komplexe Systeme einzufrieren und in ihr Inneres zu blicken, wird auch in vielen anderen Bereichen von Nutzen sein, von der Biomedizin bis zur Stahlkorrosion.

Finanzierung

Diese Arbeit wurde vom Laboratory Directed Research and Development-Programm der Sandia National Laboratories und vom Department of Energy (DOE) durch das Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, das Vehicle Technology Office und das Office of Science, Basic Energy Sciences Program, unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise im Center for Integrated Nanotechnologies durchgeführt, einer Benutzereinrichtung des Office of Science der Sandia National Laboratories.

Artikel von Energieministerium, Büro für Wissenschaftüber Nachrichtenweise.