Batterier fryses i nitrogen for at finde mikroskopiske fejl
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Batterier fryses i nitrogen for at finde mikroskopiske fejl

Fotoet viser en dendrit af lithium, taget med kryo-elektronmikroskopi. Her kan det ses, at dendritten er en sekssidet krystallinsk nanotråd med tydeligt definerede facetter. Illustration: Y. Li et al, Science

Ny indsigt i, hvordan lithium-ion-batterier opfører sig på det mest fundamentale niveau, kan give batterier med lavere risiko for indre kortslutning.

Selv om næsten alt, hvad der eksisterer af genopladelige biler og bærbar elektronik med genopladelige batterier, anvender lithium-ion, er der stadig mekanismer i batterierne, som vi ikke helt forstår.

Nu kaster ny forskning fra det amerikanske National Accelerator Laboratory (SLAC), som Stanford University og det amerikanske energiministerium står bag, nyt lys over en af de mekanismer, som kan resultere i et ødelagt batteri.

Forskerne har set nærmere på, hvordan dendritter formes i lithium-ion-batterier.

Dendritter er kort fortalt gevækster på lithium, som formes ved anoden i en celle, når batteriet oplades.

Kan kortslutte cellen

Dendritter forårsager hovedsageligt to problemer: Lithiummet gøres utilgængeligt, og det reducerer kapaciteten i cellen. Og mere alvorligt: Dendritterne kan penetrere membranen i cellen og komme i kontakt med katoden. Derved sker der en kortslutning i cellen, og det kan i værste fald medføre brand.

Derfor er det vigtigt at vide så meget som muligt om årsagerne til, at dette sker, så man kan designe celler med mindre risiko for dendritvækst.

Dette er ikke et stort problem i dagens lithium-ion-batterier, men det har vist sig at være vanskeligt få styr på, når man arbejder med næste generation af lithium-ion-batterier.

Faststofbatterier med en anode af lithium har stort potentiale til at øge batterikapaciteten. Men lithiumanoder er særligt udsatte for dendritvækst.

Nobelprisvindende metode

Forskerne har brugt kryo-elektronmikroskopi (kryo-EM) til at undersøge dendritvækst. Metoden indebærer, at man nedfryser det, man skal have et billede af, og den har været anvendt til at studere biomolekyler. Forskerne, som udviklede metoden, blev tildelt Nobelprisen i kemi i år.

Fotoet viser en dendrit af lithium, taget med kryo-elektronmikroskopi. Her ses det, at dendritten er en sekssidet krystallinsk nanotråd med tydeligt definerede facetter. Illustration: Y. Li et al, Science

Kryo-EM har åbnet en helt ny verden inden for forskning i strukturel biologi de seneste år, og nu altså også inden for organisk kemi. Netop denne metode til at tage billeder af lithium-ion-celler kan vise sig at få stor betydning fremover.

Almindelig transmissions-elektronmikroskopi (TEM) egner sig ikke lige godt til alt. Lithium er meget reaktivt og korroderer hurtigt. Og når forskerne har forsøgt at tage billeder, skyder elektronerne fra mikroskopet bogstavelig talt hul i dendritterne eller smelter dem fuldstændig.

Fotoet til venstre viser korrosion på en dendrit og huller fra elektronstrålen. Illustration: Y. Li et al, Science

»Det er som at fokusere sollys på et blad med et forstørrelsesglas. Men køler du samtidig bladet ned, vil varmen spredes, og bladet forbliver uskadt. Det er det, vi gør med kryo-EM. Når det gælder fotografering af disse batterimaterialer, gør det stor forskel,« siger Yi Cui, professor ved SLAC og Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), i en pressemeddelelse.

Cui siger, at resultaterne er meget spændende og åbner helt nye muligheder. Hans laboratorium arbejder blandt andet på at udvikle strategier til at undgå skader fra dendritter, inklusive at udvikle batterier, som automatisk slukkes, når der detekteres dendritformationer.

Kan se på skrøbelige materialer

Kryo-EM muliggør altså, at man kan undersøge kemisk ustabile og skrøbelige materialer og få billeder af processerne i høj opløsning. Lithium er bare et af batterimaterialerne, som metoden kan bruges til at studere, skriver universitetet.

Rent praktisk fryses materialet ned i flydende nitrogen, før det undersøges under mikroskopet. Celler kan nedfryses i forskellige stadier af opladningsprocessen, og forskerne kan tage den komponent ud, de vil se nærmere på.

Billederne afslører, at dendritterne er lange sekssidede krystaller, som foretrækker at vokse i bestemte retninger. På tidligere TEM-billeder har de set mere irregulære ud.

Med denne viden kan forskerne forstå de fundamentale mekanismer i batterierne bedre, og særligt hvorfor batterier af og til holder op med at fungere, skriver universitetet.

Nærbillede af SEI-laget. Måden, elektronerne reflekteres bort fra atomerne på, viser, hvor individuelle atomer befinder sig. Dette gør det muligt at måle afstanden mellem dem. (Foto: Y. Li et. al, Science) Illustration: Y. Li et al, Science

Indsigt i elektrolytlag

Forskerne har studeret tusindvis af dendritter, som har været i kontakt med forskellige elektrolytter. De har undersøgt lagene af såkaldt solid electrolyte interface (SEI), som dannes på dendritterne, i detaljer, som det aldrig tidligere har været muligt at undersøge, hævdes det.

SEI er et lag, som dannes på overfladen af anodematerialet, når det kommer i kontakt med elektrolytten. SEI-laget beskytter anoden, men hvis det sprækker, vil det eksponere lithium og danne ny SEI. Det medfører i praksis, at en mindre mængde lithium bliver tilgængelig, og at kapaciteten i cellen reduceres.

Metoden gjorde det muligt at se SEI-laget på atomart niveau, således at forskerne kunne måle afstanden mellem atomerne. Da de tilsatte et stof, som skal forbedre dannelsen af SEI-lag, kunne de se, at atomerne formede en mere ordnet struktur - hvilket forskerne mener kan være med til at forklare, hvordan tilsætningen fungerer.

»Vi blev meget begejstrede. Det var første gang, vi kunne få så detaljerede billeder af en dendrit, og vi så også nanostrukturen i SEI-laget for første gang. Dette værktøj kan hjælpe os med at forstå, hvad forskellige elektrolytter gør, og hvorfor nogle fungerer bedre end andre,« siger Yanbin Li, en af de masterstuderende, som har arbejdet på projektet.

Nu planlægger forskerne at bruge metoden til at opnå større forståelse af kemien og strukturen i SEI-laget.

Ikke overraskende, at de ligger i front

Martin Kirkengen, teknologidirektør i det norske batteriteknologiselskab Cenate, siger, at professor Cuis gruppe har udført fremragende arbejde med transmissionselektronmikroskopi på batterier mange gange tidligere.

Han mener derfor, at det ikke er overraskende, at de ligger i front, også når det gælder kryo-elektronmikroskopi. Han tror, at der vil komme flere interessante resultater fra gruppen fremover.

Kirkengen siger, at ikke alle de fund, som SLAC-forskerne har offentliggjort om dendritter, er helt nye, men at der kan komme ny viden ud af deres arbejde.

»Det at kunne studere SEI er måske endnu mere interessant, for her har vi med sikkerhed set tilfælde, hvor elektronstrålen brænder noget, man gerne ville have undersøgt nærmere,« siger han.

»Så skal man bare huske, at TEM-resultater oftest genspejler effekten af en enkelt cyklus, siger han og tilføjer, at man ikke kan blokere TEM’en i ugevis for at se, om forekomsten af dendritter er væsensforskellig efter 100 cyklusser end på friske overflader.«

»Alt for fancy udstyr kan let begrænse, hvordan du vælger at bruge det,« siger Kirkengen.

Men TEM er en fantastisk lærerig måde at undersøge batterier på, forklarer han. Og dette er også noget, som Cenate vil arbejde med, idet de ønsker at studere batterier i vakuum.

Forskningsartiklen er publiceret i seneste udgave af Science.

Se video af kryo-EM-optagelse af en lithium-dendrit her:

Artiklen er oprindeligt fra tu.no

Emner : Batterier
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Denne slags Kryo Scanning Elektron Mikroskopi der er tale om her, er ikke den der har udløst en Nobelpris. Nobelprisen gik på kryoelektronmikroskopi på på molelekyleniveau. Den teknik der er vist et eksempel på her har jeg beskæftiget mig med gennem flere år.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten