Почему твердотельные батареи продолжают короткое замыкание | Новости Массачусетского технологического института

Батареи, в которых в качестве электролита для переноса заряда используется твердый металл, потенциально могут стать более безопасной и гораздо более энергоемкой альтернативой литий-ионным батареям. Однако эти твердотельные батареи страдают от образования металлических трещин, называемых дендритами, которые вызывают их короткое замыкание.

Эта проблема до сих пор не позволяла таким батареям стать крупным игроком в области хранения энергии. Но теперь исследования Массачусетского технологического института могут наконец помочь инженерам найти способ преодолеть это препятствие.

На протяжении десятилетий многие исследователи рассматривали дендриты как результат механического напряжения — как трещины, которые образуются на тротуаре, когда под ним растет корень дерева. Но инженеры Массачусетского технологического института обнаружили прямо противоположное: более быстрый рост дендритов был связан с более низким уровнем напряжения в обычно используемом материале электролита аккумуляторной батареи. Используя новую технику, которая позволила им напрямую измерить напряжение вокруг растущих дендритов, исследователи обнаружили, что трещины образуются при уровнях напряжения всего лишь 25 процентов от того, что можно было бы ожидать только при механическом напряжении.

Эксперименты, опубликовано в Природа сегодняВместо этого выявили другого виновника: химические реакции, вызванные сильными электрическими токами, которые ослабляют электролит и делают его более восприимчивым к росту дендритов. Ранее исследователи предполагали, что такие реакции вызывают рост дендритов, но новое исследование предоставляет первые экспериментальные данные о взаимодействии между химическим и механическим напряжением при образовании дендритов.

«Методы прямых измерений позволили нам увидеть, насколько прочным является материал во время цикла работы ячейки», — говорит Коул Финчер, первый автор статьи и аспирант Массачусетского технологического института в области материаловедения и инженерии. “Мы увидели, что если вы просто протестируете керамический электролит на столе, он примерно такой же прочный, как ваш зуб. Но во время зарядки он становится намного слабее – ближе к хрупкости леденца”.

Результаты показывают, почему разработка более сильных электролитов сама по себе не решила проблему дендритов. Это также указывает на важность разработки более химически стабильных материалов, чтобы наконец реализовать обещания по созданию твердотельных батарей высокой плотности.

«Существует большое сообщество исследователей, которые постоянно пытаются найти и разработать более совершенные твердые электролиты для создания твердотельных батарей», — говорит старший автор Йет-Минг Чан, профессор материаловедения и инженерии Kyocera Массачусетского технологического института. “Это исследование дает рекомендации в этих усилиях. Мы обнаружили новый механизм, с помощью которого эти дендриты растут, что позволяет нам изучить способы разработки вокруг него, чтобы сделать твердотельные батареи успешными”.

К Финчеру и Чангу в статье присоединяются аспирант Массачусетского технологического института Колин Гилгенбах; ученые Thermo Fisher Scientific Кристиан Роуч и Рэйчел Осмундсен; исследователь MIT.nano Обри Пенн; Профессор MIT Toyota по обработке материалов У. Крейг Картер; профессор материаловедения и инженерии MIT Kyocera Джеймс Лебо; профессор Мичиганского университета Майкл Таулесс; и профессор Университета Брауна Брайан В. Шелдон.

Измерение стресса

Дендриты стали основным препятствием на пути разработки аккумуляторов с 1970-х годов. Одна из причин, по которой литий-ионные батареи стали повсеместными, в то время как другие подходы зашли в тупик, заключается в том, что их широко используемые графитовые аноды менее подвержены образованию дендритов. Это позор, потому что твердотельные батареи, в которых в качестве анода используется металлический литий, и твердый электролит теоретически могут хранить гораздо больше энергии в корпусе того же размера и при меньшем весе. Таким образом, они смогут обеспечить более долговечные телефоны и ноутбуки или электромобили с удвоенным диапазоном сегодняшних возможностей.

«Нет более энергоемкой формы лития, чем металлический литий», — говорит Чан. «Но проблема дендритов ограничила прогресс в разработке твердотельных батарей».

Металлический литий мягкий, как ириска. Финчер, который изучал проблему дендритов в лабораториях Чанга и Картера, говорит, что одна из загадок заключается в том, как такой мягкий материал может проникать в твердые электролитные материалы, которые исследуются для использования в твердотельных батареях.

«Керамика, которая использовалась в этих целях, жесткая, как кофейная кружка, поэтому была надежда, что твердотельные батареи остановят рост этого относительно мягкого дендрита», — объясняет Финчер.

Полагая, что механическое напряжение вызывает образование дендритов, ученые работали над разработкой более сильных электролитов, способных выдерживать большее механическое воздействие. Некоторые исследователи предположили, что химические реакции играют роль в образовании дендритов, но как эти реакции протекают при механическом напряжении, было неизвестно.

Для их Природа В ходе исследования исследователи намеревались напрямую наблюдать механические и химические изменения в обычно используемом материале твердого электролита по мере роста дендритов. Твердотельные батареи обычно устроены в виде сэндвича, из-за чего трудно заглянуть внутрь среднего слоя электролита. Для своего первого эксперимента исследователи разработали специальный твердотельный аккумулятор, в котором керамические слои можно наблюдать сбоку, что позволяет исследователям наблюдать за ростом дендритов, происходящим в электролите.

Исследователи также использовали метод измерения, называемый микроскопией двойного лучепреломления, для точного измерения напряжения вокруг дендрита, который Финчер разработал в рамках своей докторской диссертации.

«Она работает так же, как поляризационные солнцезащитные очки, когда вы смотрите на что-то вроде лобового стекла», — объясняет Финчер эту технику. “Когда свет проходит, остаточные напряжения в стекле позволяют свету некоторых направлений проходить быстрее, чем другие, и это может привести к наблюдаемым радужным узорам. Эти узоры можно использовать для измерения напряжения”.

Этот метод впервые дал исследователям возможность визуализировать и количественно оценить стресс вокруг активно растущих дендритов, что привело к неожиданным результатам.

«Обычно можно ожидать, что чем быстрее растет дендрит, тем больше стресса он создает», — говорит Чан. “Вместо этого мы наблюдали прямо противоположное. Чем быстрее он рос, тем меньше напряжение вокруг него, а это означает, что твердый электролит разрушается при более низком напряжении и, следовательно, становится хрупким”.

На самом деле дендриты росли при гораздо более слабых уровнях стресса, чем ожидалось. Финчер описывает более слабый электролит как электрохимически корродированный.

«Представьте, что вы однажды проверяете кусок стекла, а на следующий день его прочность составляет лишь четверть», — говорит Чан. «Это было очень удивительно».

Затем исследователи под руководством ЛеБо охладили электролит до чрезвычайно низких температур и применили мощную технику визуализации, называемую криогенной сканирующей трансмиссионной электронной микроскопией, которая позволила им изучить область вокруг дендрита в почти атомных масштабах. Визуализация показала, что прохождение ионного тока через материал вызвало химические реакции, которые сделали его более хрупким.

«Электрический ток управляет потоком ионов лития через твердый электролит», — объясняет Чан. “Это вызывает высококонцентрированный поток ионов лития на кончике дендрита. Мы считаем, что это приводит к химическому восстановлению состава материала, что приводит к его разложению на новые фазы. Вы начинаете с кристаллической фазы электролита, затем после осаждения происходит сокращение объема, что соответствует наблюдаемому нами охрупчиванию”.

На пути к лучшим батареям

Эксперимент проводился на одном из наиболее стабильных электролитов, используемых в твердотельных батареях, что дает исследователям уверенность, что результаты будут применимы и к другим электролитным материалам.

«Это говорит нам о том, что нам нужно искать электролитные материалы, которые будут еще более стабильными, особенно при контакте с металлическим литием, который с химической точки зрения очень восстанавливает», — говорит Чан. «Это поможет направить поиск новых материалов».

Например, говорит Чан, теперь, когда они больше понимают химические изменения, вызывающие охрупчивание, исследователи могут исследовать материалы, которые на самом деле становятся более жесткими по мере роста трещин.

Исследователи говорят, что потребуется дополнительная работа, чтобы выяснить, какие электрохимические реакции делают электролит настолько слабым. Но они говорят, что их подход к прямому наблюдению за напряжениями также может помочь улучшить материалы для использования в таких устройствах, как топливные элементы и электролизеры.

Работа поддерживалась Центром механо-химического понимания твердых ионных проводников, Центром передовых исследований Департамента энергетики, Национальным научным фондом и стипендией выпускников Департамента оборонной науки и техники Финчера и проводилась с использованием оборудования MIT.nano.