Beter, sneller, sterker: Bouwend batterijen die niet boom gaan

Houden de lithium ionenbatterijen ongelooflijke belofte voor betere opslagcapaciteit in, maar zij zijn vluchtig. Wij allen hebben het nieuws over lithium ionenbatterijen in telefoons gehoord -- met name Samsung Galaxy 7 -- het veroorzaken van telefoons aan vangstbrand.

Veel van het probleem is van het gebruik van brandbare vloeibare elektrolyt binnen de batterij het gevolg. Één benadering is een onontvlambare stevige elektrolyt samen met een elektrode van het lithiummetaal te gebruiken. Dit zou de energie van de batterij terwijl tegelijkertijd het verminderen van de mogelijkheid van een brand verhogen.

Hoofdzakelijk, bouwt de bestemming volgende generatiebatterijen in vaste toestand die niet boom gaan. De reis moet lithium fundamenteel begrijpen.

„Iedereen bekijkt enkel de componenten van de energieopslag van de batterij,“ zegt Erik Herbert, hulpprofessor van materialenwetenschap en techniek bij de Technologische Universiteit van Michigan. „Zeer weinig onderzoeksteams zijn geinteresseerd in het begrip van de mechanische elementen. Maar laag en behold, ontdekken wij dat de mechanische eigenschappen van lithium zelf het belangrijkste stuk van het raadsel kunnen zijn.“

De onderzoekers van Technologie van Michigan dragen beduidend tot het verkrijgen van fundamenteel die inzicht van lithium met resultaten bij in uitgenodigde die vandaag een drie-papier reeks in het Dagboek van Materials Research worden gepubliceerd, gezamenlijk door de Materials Research-Maatschappij en de Universitaire Pers van Cambridge wordt gepubliceerd. Herbert en Stephen Hackney, professor van materialenwetenschap en techniek, samen met Violette Thole, een gediplomeerde student bij Technologie van Michigan, Nancy Dudney bij het Nationale Laboratorium van Oak Ridge en Sudharshan Phani op het Internationale Gevorderde Onderzoekscentrum voor Poedermetallurgie en Nieuwe Materialen, aandeelresultaten die de betekenis van het mechanische gedrag van het lithium in het controleren van de prestaties en de veiligheid van volgende generatiebatterijen onderstrepen.

Als een freeze-thaw cyclus het beschadigen beton, de schadebatterijen van lithiumdendrieten

Het lithium is een uiterst reactief metaal, dat het aan wangedrag naar voren gebogen maakt. Maar het is ook zeer goed bij het opslaan van energie. Wij willen onze telefoons (en computers, tabletten en andere elektronische apparaten) zo vlug mogelijk aan last, en zo zien de batterijfabrikanten tweelingdruk onder ogen: Maak batterijen die zeer snel laden, overgaand een last tussen de kathode en de anode zo snel mogelijk, en maak de batterijen betrouwbaar ondanks herhaaldelijk wordt geladen.

Het lithium is een zeer zacht metaal, maar het zich gedraagt niet zoals verwacht tijdens werking op batterijen. De opzettende druk die onvermijdbaar tijdens het laden van en het lossen van een batterij voorkomt resulteert in microscopische vingers van lithium geroepen dendrieten om reeds bestaande en onvermijdelijke microscopische gebreken te vullen -- groeven, poriën en krassen -- bij de interface tussen de lithiumanode en de stevige elektrolytseparator.

Tijdens het voortdurende cirkelen, kunnen deze dendrieten hun manier in, en uiteindelijk door, de stevige elektrolytlaag dwingen die fysisch de anode en de kathode scheidt. Zodra een dendriet de kathode bereikt, sluit het apparaat kort en ontbreekt, vaak catastrofaal. Het onderzoek van Herbert en van Hackneypaard concentreert zich op hoe het lithium de druk verlicht die natuurlijk zich tijdens het laden van en het lossen van een batterij in vaste toestand ontwikkelt.

Hun het werkdocumenten het opmerkelijke gedrag van lithium bij submicronlengteschalen -- het boren neer in het kleinste lithium en betwistbaar de meeste verwarrende eigenschappen. Door lithiumfilms met een diamant-getipte sonde te kartelen om het metaal te misvormen, onderzoeken de onderzoekers hoe het metaal aan druk reageert. Hun die resultaten bevestigen onverwacht met hoge weerstand van lithium bij klein-lengteschalen eerder dit jaar door onderzoekers bij Cal Technologie worden gemeld.

Herbert en Hackneypaard bouwen bij het dat onderzoek voort door de inaugurele, mechanische verklaring van lithium verrassend met hoge weerstand te verstrekken.

Capaciteit van het lithium om zijn eigen atomen of ionen te verspreiden of te herschikken in een poging die de druk te verminderen door het indenter uiteinde wordt opgelegd, toonde onderzoekers het belang van de snelheid waarbij het lithium misvormd is (dat met hoe de snelle batterijen worden geladen en) gelost verwant is, evenals de gevolgen van tekorten en afwijkingen in de regeling van lithiumionen die uit de anode bestaan.

Neer het boren om het gedrag van lithium te begrijpen

In het artikel „Nanoindentation van high-purity damp deponeerde lithiumfilms: De elastische modulus,“ onderzoekers meet de elastische eigenschappen van lithium om op veranderingen in de fysieke richtlijn van lithiumionen te wijzen. Deze resultaten benadrukken de noodzaak om de richtlijn-afhankelijke elastische eigenschappen van het lithium in al toekomstige simulatiewerkzaamheden op te nemen. Herbert en Hackneypaard leveren ook experimenteel bewijs dat wijst op het lithium een verbeterde capaciteit kan hebben om mechanische energie in hitteschalen uitvoerig om te zetten minder dan 500 nanometers.

In het artikel dat volgt, „Nanoindentation van high-purity damp deponeerde lithiumfilms: Een mechanistische rationalisatie van de verspreiding-bemiddelde stroom,“ van Herbert en Hackneypaard-met hoge weerstand uitvoerig schalen van het documentlithium opmerkelijk minder dan 500 nanometers, en zij verstrekken hun origineel kader, dat poogt te verklaren hoe de capaciteit van het lithium om druk te beheren door verspreiding en het tarief wordt gecontroleerd waarbij het materiaal misvormd is.

Tot slot in „Nanoindentation van high-purity damp gedeponeerde lithiumfilms: Een mechanistische rationalisatie van de overgang van verspreiding naar dislocatie-bemiddelde stroom, de“ auteurs verstrekt een statistisch model dat de voorwaarden verklaart waarop het lithium een abrupte overgang ondergaat die verder zijn capaciteit vergemakkelijkt om druk te verminderen. Zij verstrekken ook een model dat direct het mechanische gedrag van lithium met de prestaties van de batterij verbindt.

„Wij proberen om de mechanismen te begrijpen waardoor het lithium druk uitvoerig schalen die met tekorten tussen twee raakvlakken evenredig zijn,“ Herbert zegt vermindert. Het verbeteren van ons begrip van deze fundamentele kwestie zal direct de ontwikkeling van een stabiele interface toelaten die het veilige, op lange termijn en hoog-tarief cirkelen prestaties bevordert.

Zegt Herbert: „Ik hoop ons werk een significante invloed op de richtingsmensen heeft het proberen nemen om opslagapparaten te ontwikkelen volgende-gen.“