I ricercatori hanno ripreso le evoluzioni strutturali e chimiche dei catodi di LiCoO2 al contatto con la dendrite di Li su scala atomica. uno spontaneo, reazione di conversione irreversibile porta alla formazione di Co metallo e Li2O, con CoO come intermedio di reazione metastabile. Credito:Laboratorio di scienze molecolari ambientali
Le batterie ricaricabili al litio (Li) sono i dispositivi di accumulo di energia più utilizzati oggi nell'elettronica di consumo e nei veicoli elettrici. Ci sono sfide, anche se, per ottimizzare la loro capacità, riciclabilità, e stabilità. Durante i cicli di carica-scarica di una batteria Li, I dendriti di Li altamente localizzati – filamenti di Li che crescono all'interno delle batterie – possono formarsi e danneggiare le prestazioni della batteria.
"I dendriti di litio sono fili sottili, come baffi, che possono entrare in contatto con materiali catodici e causare una catena di irreversibili, reazioni chimiche spontanee, " ha detto Yingge Du, un ricercatore del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) che ha recentemente condotto uno studio per visualizzare questo fenomeno. "Può portare a un decadimento delle prestazioni, cortocircuito, e rischi per la sicurezza, " Ha aggiunto.
Du e il suo team hanno cercato di individuare l'esatto meccanismo di guasto. Fare così, avevano bisogno di controllare con precisione come e quando i dendriti di Li sono entrati in contatto con i materiali del catodo. Il team ha utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione in situ (TEM) per visualizzare direttamente le evoluzioni strutturali e chimiche dell'ossido di litio-cobalto (LiCoO 2 ) catodi a film sottile su contatto di Li-dendrite. "LiCoO 2 è ancora uno dei materiali catodici più utilizzati, " ha detto Du, "e trasformarlo in una forma monocristallina ben definita mediante deposizione laser pulsata può liberare la potenza della microscopia elettronica avanzata". Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno scoperto un percorso di propagazione del Li inaspettato e passaggi di reazione dettagliati che portano al guasto del catodo.
Il loro studio, "Visualizzazione diretta dell'effetto Li Dendrite su LiCoO 2 Catodo di In Situ TEM, " è stato recentemente pubblicato in Piccolo e presente sulla sua copertina.
Per soddisfare le crescenti richieste di dispositivi di accumulo di energia su larga scala, c'è un urgente bisogno che i ricercatori si sviluppino in modo più sicuro, batterie ricaricabili con maggiore resa energetica. Li metal è stato considerato come un ideale, materiale anodico ad alta capacità. Però, il suo utilizzo è fortemente ostacolato dalla formazione di dendriti di Li che possono penetrare nel separatore, una membrana permeabile posta tra l'anodo e il catodo di una batteria. Una volta che i dendriti di Li sono a diretto contatto con i materiali del catodo, una catena di irreversibili, possono verificarsi reazioni chimiche spontanee, portando al decadimento delle prestazioni, cortocircuito, e rischi per la sicurezza.
Sebbene siano stati dedicati sforzi significativi per rilevare, comprendere, e prevenire la formazione di Li-dendrite all'interno degli elettroliti, poco si sa per quanto riguarda i percorsi di reazione dettagliati che coinvolgono metalli Li e materiali catodici. Colmare questa lacuna di conoscenza può fornire principi di rilevamento e progettazione che sono fondamentali per le future soluzioni di stoccaggio dell'energia.
In questo studio, Du e il suo team di ricercatori del PNNL hanno studiato i dendriti di Li e il loro effetto sui materiali catodici. Hanno cercato di capire i percorsi di reazione dettagliati, che potrebbe portare allo sviluppo di migliori batterie al litio.
Utilizzando la deposizione laser pulsata, Du e il suo team hanno fabbricato elementi ben definiti, epitassiale LiCoO 2 film sottili con orientamenti cristallografici controllati per fungere da materiali catodici modello. Una punta di metallo Li è stata utilizzata per imitare la dendrite di Li all'interno di un TEM per studiarne la reazione con LiCoO . preparato 2 campioni.
Tecniche avanzate di microscopia e spettroscopia, inclusa la spettroscopia elettronica a trasmissione a scansione, diffrazione di nanofasci, e spettroscopia di perdita di energia di elettroni – ha permesso di studiare tali reazioni con un'elevata risoluzione spaziale e temporale. In combinazione con i calcoli della teoria del funzionale della densità, i ricercatori hanno chiarito le fasi di reazione, intermedi, e prodotti finali a un livello senza precedenti. È stata trovata una direzione di diffusione del Li inaspettata perpendicolare ai piani contenenti Li, che ha strappato il LiCoO 2 cristallo a parte, generando una grande quantità di bordi di grano e bordi di antifase. Mentre Co metal e Li2O sono risultati essere i prodotti finali della reazione di conversione completa, CoO è stato identificato come un intermedio metastabile sul fronte di reazione a causa della facile transizione di fase da LiCoO 2 .
"Le fasi di reazione e gli intermedi rivelati forniscono un chiaro meccanismo di guasto per il LiCoO 2 catodi causati dai dendriti di Li, e può anche offrire approfondimenti sui processi di sovrascarica nei catodi, " ha osservato Du.
Continuando questo lavoro, Il team di Du intende fabbricare batterie completamente allo stato solido mediante processi di deposizione in più fasi utilizzando la deposizione a laser pulsato per comprendere meglio i processi di trasporto ionico attraverso le interfacce ben definite.
