การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้เกิดแสงใหม่บนแบตเตอรี่

Anonim

อินเทอร์เฟซของ anode แข็งและอิเล็กโทรไลต์เหลวมีบทบาทสำคัญในการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล แต่ลักษณะของกระบวนการที่เกิดขึ้นที่จุดตัดดังกล่าวเป็นสิ่งท้าทาย

เพื่อศึกษาพื้นผิวของขั้วบวกโดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์เหลวจะถูกลบออกและพื้นผิวจะถูกล้างและแห้งก่อนการวิเคราะห์ แต่การทำความสะอาดและการอบแห้งนี้จะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและเคมีของอินเตอร์เฟซ เพื่อให้ได้ภาพที่ถูกต้องของอินเทอร์เฟซจะต้องดูในสภาพธรรมชาติ

นักวิจัยในห้องปฏิบัติการของ Lena Kourkoutis ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ประยุกต์และวิศวกรรมได้พัฒนาและแสดงให้เห็นเทคนิคสำหรับการสร้างภาพโดยตรงของอินเตอร์เฟซแบบ solid-liquid ในความพยายามที่จะทำความเข้าใจปัญหาใหญ่ ๆ เกี่ยวกับแบตเตอรี่ Li-metal: การเจริญเติบโตของ dendrite บนขั้วบวก ซึ่งอาจทำให้เกิดการลัดวงจรและในกรณีที่รุนแรงแบตเตอรี่ล้มเหลว

ไมเคิล Zachman, Ph.D. '18 ซึ่งเป็นสมาชิกของห้องปฏิบัติการ Kourkoutis เป็นผู้เขียนนำแสดงโดย Cryo-STEM Mapping ของการเชื่อมต่อ Solid-Liquid และ Dendrites ใน Li-Metal Batteries ซึ่งจะเผยแพร่ใน Nature ในวันที่ 16 สิงหาคมนี้

การมีส่วนร่วมที่สำคัญได้ทำโดยห้องปฏิบัติการของ Lynden Archer James A. เพื่อนครอบครัวที่โดดเด่นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมในสมิ ธ โรงเรียนวิศวกรรมเคมีและชีวกลศาสตร์ Zhengyuan Tu, Ph.D. '17, และ Snehashis Choudhury, Ph.D. 18 ทั้งสองกลุ่ม Archer สร้างและวิเคราะห์ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ใช้ในการศึกษา

วิธีการที่พัฒนาขึ้นโดยห้องปฏิบัติการของ Kourkoutis เกี่ยวกับการแช่แข็งอย่างรวดเร็วของอิเล็กโทรไลต์บนขั้วไฟฟ้าและชุดของเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ด้วยความเย็นเพื่อวิเคราะห์ข้อมูลโครงสร้างทางสัณฐานวิทยาและโครงสร้างที่อินเตอร์เฟซแบบ solid-liquid นักวิจัยกล่าวว่าผลงานชิ้นนี้มีความหมายสำหรับระบบต่างๆนอกเหนือจากที่เก็บพลังงาน

"เทคนิคที่เราพัฒนาขึ้นจริงๆเพียงแค่ช่วยให้เราสามารถมองเห็นมุมมองที่ไม่ถูกรบกวนของสิ่งที่เกิดขึ้นได้ที่อินเทอร์เฟซที่ซับซ้อนมาก ๆ เหล่านี้" Kourkoutis กล่าว "นั่นคือกุญแจสำคัญในการที่จะเข้าใจว่าอินเทอร์เฟซเฉพาะใด ๆ แต่ยังรวมถึงปฏิกิริยาหรือกระบวนการที่เกิดขึ้น"

Kourkoutis กล่าวว่างานนี้ได้แรงบันดาลใจจากประสบการณ์ของเธอในห้องปฏิบัติการชีววิทยาที่สถาบัน Max Planck ในประเทศเยอรมนีซึ่งเธอใช้วิธีการที่เรียกว่า cryo-FIB (ion beam ลำไย) เพื่อดูกระบวนการภายในเซลล์ ที่ Cornell กลุ่มของเธอได้ดัดแปลง cryo-FIB สำหรับการเชื่อมต่อแบบ solid-liquid และรวมกับ cryo-STEM (scanning scanning electron microscopy) เพื่อเข้าถึงโครงสร้างที่สมบูรณ์ของ dendrites ที่ระดับนาโน

สำหรับงานนี้ได้มีการเปิดแบตเตอรี่เซลล์เหรียญและขั้วไฟฟ้าพุ่งเข้าไปในตู้แช่แข็งเพื่อแช่แข็งและรักษาโครงสร้างไว้อย่างรวดเร็ว Zachman ที่เตรียมตัวอย่างและทำการทดลองค้นพบ dendrites สองชนิดบนพื้นผิวขั้วบวก: Type I มีขนาดค่อนข้างใหญ่ (ประมาณ 5 ไมครอน) โดยมีความโค้งต่ำ type II มีความหนาหลายพันนาโนเมตร

นอกจากนี้ชนิดของ dendrites ชนิดที่หนึ่งได้แสดง interphase แบบ solid-electrolyte interferase (SEI) ซึ่งเป็นชั้นอ่อนที่คิดว่าเป็นสารตั้งต้นในการเจริญเติบโตของเส้นใย dendrite ซึ่งหนาประมาณ 300 ถึง 500 nanometers ซึ่งใหญ่กว่าที่เคยสังเกตมาก่อนหน้านี้ การค้นพบชั้นนี้ซึ่งการศึกษาชี้ให้เห็นว่าส่วนใหญ่สูญหายไปในระหว่างการซักผ้าและการอบแห้งที่จำเป็นในการวิเคราะห์แบบดั้งเดิมทำให้สัญญาณบ่งชี้ว่าลิเทียมที่สูญเสียไปไปยังชั้นของ SEI มากเกินกว่าที่คิดไว้

เทคนิคของกลุ่มยังพบว่า dendrites type II ประกอบด้วย lithium hydride Zachman กล่าวว่า "มีเพียง dendrites ที่ประกอบไปด้วยโลหะลิเธียมเท่านั้น" และตอนนี้เราก็เห็นว่ามีลิเทียมไฮไดรด์ dendrites อยู่ด้วยเช่นกันและน่าจะมีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่อย่างมาก "

Archer กล่าวว่าการค้นพบเหล่านี้ควรจะช่วยให้ "เบาะแสสำคัญเกี่ยวกับวิธีการหนึ่งที่อาจเข้าใกล้การออกแบบทางเคมีของอิเล็กโทรไลแบตเตอรี่.

ความร่วมมือระหว่างกลุ่ม Kourkoutis และ Archer เกิดจากข้อเสนอร่วมกันที่จัดทำขึ้นเพื่อปกป้องเงินทุนจำนวน 2.7 ล้านเหรียญจาก National Science Foundation เพื่อให้ได้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่ใช้ในการวิจัยนี้

Archer กล่าวว่านี่เป็นการสาธิตที่โดดเด่นของมรดกที่เกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันที่รุนแรงซึ่งได้มาจากการกำหนดงานวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ที่ Cornell และทำให้ Cornell แตกต่างจากเพื่อน ๆ ของเขาในฐานะที่เป็นสถานที่ทำผลงานดังกล่าว

menu
menu