Lepiej, szybciej, mocniej: baterie budowlane, które nie rosną

Akumulatory litowo-jonowe mają niewiarygodną obietnicę zwiększenia pojemności, ale są one niestabilne. Wszyscy słyszeliśmy wiadomości o bateriach litowo-jonowych w telefonach - w szczególności Samsung Galaxy 7 - powodując, że telefony się zapalają.

Znaczna część problemu wynika z zastosowania łatwopalnego ciekłego elektrolitu wewnątrz akumulatora. Jednym ze sposobów jest użycie niepalnego stałego elektrolitu z elektrodą litowo-metalową. Zwiększyłoby to energię baterii, a jednocześnie zmniejszyło ryzyko pożaru.

Zasadniczo celem jest budowanie akumulatorów półprzewodnikowych następnej generacji, które nie rosną. Podróż ma na celu całkowite zrozumienie litu.

"Wszyscy patrzą tylko na elementy magazynujące energię akumulatora" - mówi Erik Herbert, adiunkt nauk materiałowych i inżynierii na Michigan Technological University. "Bardzo niewiele grup badawczych jest zainteresowanych zrozumieniem elementów mechanicznych, ale niskie i oto odkrywamy, że mechaniczne właściwości litu mogą być kluczowym elementem układanki".

Badacze z Michigan Tech przyczyniają się w znacznym stopniu do uzyskania podstawowej wiedzy na temat litu, a wyniki opublikowano dzisiaj w zapraszanej serii trzech artykułów w czasopiśmie Journal of Materials Research, opublikowanym wspólnie przez The Materials Research Society i Cambridge University Press. Herbert i Stephen Hackney, profesor nauk o materiałach i inżynierii materiałowej, wraz z Violetem Thole, absolwentem Michigan Tech, Nancy Dudney w Oak Ridge National Laboratory i Sudharshan Phani w Międzynarodowym Centrum Zaawansowanych Badań nad Metalurgią Proszkową i Nowymi Materiałami, dzielą się wynikami, które podkreślają znaczenie mechanicznego zachowania się litu w kontrolowaniu wydajności i bezpieczeństwa akumulatorów nowej generacji.

Podobnie jak w przypadku cykli zamrażania i rozmrażania uszkadzających beton, dendryt litu uszkadza akumulatory

Lit jest niezwykle reaktywnym metalem, co czyni go podatnym na złe zachowanie. Ale jest także bardzo dobry w magazynowaniu energii. Chcemy, aby nasze telefony (i komputery, tablety i inne urządzenia elektroniczne) ładowały się tak szybko, jak to możliwe, a zatem producenci akumulatorów muszą mierzyć się z bliźniaczymi ciśnieniami: akumulatory ładują się bardzo szybko, przepuszczając ładunek między katodą i anodą tak szybko, jak to możliwe, oraz sprawiają, że baterie są niezawodne mimo wielokrotnego ładowania.

Lit jest bardzo miękkim metalem, ale nie zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami podczas działania baterii. Ciśnienie montażowe, które nierozerwalnie występuje podczas ładowania i rozładowywania akumulatora, powoduje mikroskopijne palce litu zwane dendrytami, które wypełniają istniejące i nieuniknione mikroskopijne skazy - rowki, pory i zadrapania - na styku między anodą litową a stałym separatorem elektrolitu.

Podczas dalszego cyklu, te dendryty mogą przedostawać się do i ostatecznie przez warstwę stałego elektrolitu, która fizycznie oddziela anodę i katodę. Gdy dendryt osiąga katodę, zwarcia w urządzeniu i zawiesza się, często katastrofalnie. Badania Herberta i Hackneya koncentrują się na tym, w jaki sposób lit zmniejsza ciśnienie, które powstaje w sposób naturalny podczas ładowania i rozładowania baterii półprzewodnikowej.

Ich praca dokumentuje niezwykłe zachowanie się litu w submikronowych skalach długości - przechodząc w najmniejsze i najsilniejsze cechy litu. Poprzez nacięcie filmów litowych za pomocą sondy z końcówką diamentową w celu odkształcenia metalu, naukowcy badają, jak metal reaguje na nacisk. Ich wyniki potwierdzają nieoczekiwanie wysoką wytrzymałość litu na skale o małej długości zgłoszone wcześniej w tym roku przez naukowców z Cal Tech.

Herbert i Hackney wykorzystują te badania, dostarczając inauguracyjnego, mechanicznego wyjaśnienia zadziwiająco wysokiej wytrzymałości litu.

Zdolność litu do rozproszenia lub przebudowy własnych atomów lub jonów w celu złagodzenia ciśnienia narzuconego przez końcówkę indentera, pokazała badaczom znaczenie prędkości, z jaką lit się odkształca (co jest związane z tym, jak szybko ładują się i rozładowują baterie), a także skutki wad i odchyleń w rozmieszczeniu jonów litu, które składają się na anodę.

Wiercenie w dół, aby zrozumieć zachowanie litu

W artykule "Natlenianie warstw litu w postaci pary o wysokiej czystości: moduł sprężystości", badacze mierzą sprężyste właściwości litu, aby odzwierciedlić zmiany w fizycznej orientacji jonów litu. Wyniki te podkreślają konieczność włączenia zależnych od orientacji elastycznych właściwości litu we wszystkich przyszłych pracach symulacyjnych. Herbert i Hackney również dostarczają dowodów doświadczalnych, które wskazują, że lit może mieć zwiększoną zdolność do przekształcania energii mechanicznej w ciepło o długości mniejszej niż 500 nanometrów.

W poniższym artykule zatytułowanym "Natlenienie wysoko-czystych, osadzonych parami filmów litowych: mechaniczna racjonalizacja przepływu z udziałem dyfuzji", Herbert i Hackney dokumentują niezwykle wysoką wytrzymałość litu w skali mniejszej niż 500 nanometrów i zapewniają ich oryginalne ramy, który ma na celu wyjaśnienie, w jaki sposób zdolność litu do kontrolowania ciśnienia jest kontrolowana przez dyfuzję i szybkość, z jaką materiał jest odkształcany.

Wreszcie, w "Nanoindentation z wysokiej czystości osadzonych oparami filmów litowych: mechaniczna racjonalizacja przejścia od dyfuzji do przepływu mediowanego dyslokacją" autorzy dostarczają model statystyczny, który wyjaśnia warunki, w których lit przechodzi gwałtowne przejście, które dodatkowo ułatwia jego umiejętność złagodzenia ciśnienia. Zapewniają również model, który bezpośrednio łączy mechaniczne działanie litu z wydajnością akumulatora.

"Próbujemy zrozumieć mechanizmy, dzięki którym lit łagodzi ciśnienie w skalach długości, które są współmierne do wad powierzchniowych" - mówi Herbert. Lepsze zrozumienie tej podstawowej kwestii pozwoli bezpośrednio na stworzenie stabilnego interfejsu, który promuje bezpieczne, długoterminowe i wysokiej wydajności rowerowej.

Mówi Herbert: "Mam nadzieję, że nasza praca wywarła znaczący wpływ na kierunek, w którym ludzie próbują opracować urządzenia pamięci masowej następnej generacji".