В то время как они обычно распространяются под покровом темноты в закрытой клетке, команда исследователей в Мичиганском университете шпионила за ними, прорубая окно в батарее и снимая дендриты, когда они выросли (батарея, которую они исследовали, была литиевая металлическая батарея следующего поколения, а не литий-ионный тип, используемый в коммерческих сотовых телефонах и другой бытовой электронике).Работа могла помочь исследователям безопасно взять литиевые батареи к следующему уровню.
У литиевой серы и литиевых воздушных батарей – часто называемый литиевыми металлическими батареями, потому что у них есть цельнометаллические электроды – есть потенциал, чтобы сохранить в 10 раз больше энергии в том же самом космосе как текущие современные литий-ионные аккумуляторы.Однако цельнометаллические электроды в этих продвинутых версиях особенно подвержены формирующимся дендритам. Дендриты быстро уменьшают работу батареи, ставят вопросы безопасности и сокращают ее жизнь.«Никто не хочет купить электромобиль, который уменьшается с 300 до 100 миль за обвинение после нескольких использования», сказал Нил Дасгупта, доцент U-M машиностроения.
Хуже, дендриты могут проникнуть в мембрану между электродами, закоротив батарею. Никто не хочет электромобиль, который спонтанно воспламеняется, также.В то время как дендриты, как широко известно, являются проблемой в литиевых металлических батареях, которые еще не находятся на рынке, их роль в порождении проблем в сегодняшних коммерчески доступных литий-ионных аккумуляторах менее понята. Исследователи еще не знают то, что заставило телефоны Samsung работать со сбоями, заставив компанию вспомнить их.
Некоторые подозрительные дендриты могли быть преступником.«Поскольку исследователи пытаются переполнить все больше энергии в той же самой сумме пространства, проблемы морфологии как дендриты становятся основными проблемами.
В то время как мы не полностью знаем, почему Примечание 7 взорванных с, дендриты заставляют плохие подобные вещи произойти», сказал Кевин Вуд, постдокторский исследователь в машиностроении, который помог развивать окно батареи. «Если мы хотим высокие батареи плотности энергии в будущем и не хотим, чтобы они взорвались, мы должны решить древовидную проблему».Дасгупта и Вуд искали лучший способ узнать то, что происходит в батареях. Наиболее часто используемые предыдущие методы сосредотачиваются на электрохимических измерениях, в то время как батарея работает.
Затем вскрытия батарей после концов эксперимента показывают, какие физические изменения произошли внутри. С этим подходом исследователи видят дендриты.
Но они не видят, как они выросли.Чтобы захватить дендриты в действии, группа Дасгупты установила батарею окна на высококачественном видео микроскопе и телеграфировала его так, чтобы они могли контролировать и древовидный рост и напряжение между этими двумя электродами, которое изменяется во время циклов выброса и обвинения. Таким образом они связали свои наблюдения за электродом – выросли ли дендриты или сокращенный, и общее состояние деградации – с измерениями напряжения. Затем они связали образцы напряжения с определенной древовидной деятельностью.
Устройство помогло отнести булавку команды точно, почему дендриты растут в литиевых металлических батареях следующего поколения. Они изучили батарею с двумя литиевыми электродами, чтобы не усложнять проблему с различным электродом, который будет развивать его собственные проблемы.«Наша батарея окна – простая платформа, которая может использоваться исследователями во всем мире», сказал Дасгупта. «Это может быть воспроизведено в любой лаборатории с оптическим микроскопом, простым электрохимическим оборудованием, механическим цехом и бюджетом в размере 100$».
Исследователи смогли видеть, что дендриты растут как литий, накопленный на поверхности электрода, и сжимаются, когда цикл полностью изменил, разделив литий от поверхности. Они видели, что ямы сформировались в электроде, когда литий был удален, и они видели, как эти ямы стали местами образования ядра для дендритов на следующем цикле.
Литиевые дендриты выглядели странно органическими, как рост заводов и увядание в течение цикла батареи. Некоторые дендриты прервались и стали «мертвым литием», плавающим вокруг в батарее.
Команда обнаружила, что не все дендриты означают серьезное повреждение. Если дендриты маленькие и равномерно устилают поверхность электрода, больше лития остается в игре. В этом случае работа батареи остается стабильной, сказал Вуд.«Если Вы хотите добраться до практических условий работы, я не думаю, что есть любой способ действительно предотвратить древовидный рост», сказал он. «Но управляя древовидным ростом Вы можете позволить батареи, у которых есть длинные сроки службы и лучшая безопасность».
Используя это понимание, команда обнаружила способ значительно расширить целую жизнь литиевых электродов, быть показанной в будущей публикации.