מיקרוסקופ אלקטרונים קריו שופך אור חדש על סוללות

Anonim

הממשק של האנודה המוצקה והאלקטרוליט הנוזלי ממלא תפקיד מכריע בביצוע סוללת ליתיום-מתכת, אך אפיון התהליכים המתרחשים בצומת זה מהווה אתגר.

כדי ללמוד את פני השטח של האנודה, בדרך כלל אלקטרוליט נוזלי מוסר את פני השטח נשטף ומיובש לפני הניתוח. אבל זה כביסה וייבוש ביסודו משנה את המבנה ואת הכימיה של הממשק; כדי לקבל תמונה מדויקת של הממשק, זה חייב להיות מוצג במצב הטבעי שלה.

חוקרים במעבדה של לנה קורקוטיס, פרופסור לפיזיקה יישומית והנדסית, פיתחו והוכיחו טכניקה להדמיה ישירה של ממשקים מוצקים נוזליים במאמץ להבין טוב יותר בעיה עם סוללות Li-metal: צמיחה דנדריט על האנודה, אשר יכול לגרום קצר חשמלי, ובמקרים קיצוניים, כישלון הסוללה קטסטרופלי.

מיכאל זכמן, Ph.D. "18, חבר במעבדה Kourkoutis, הוא המחבר הראשי של" Cryo-STEM מיפוי של מוצק-ממשקים נוזלי דנדריטים ב Li-Metal סוללות ", אשר יפרסם אוגוסט 16 ב טבע.

תרומות המפתח בוצעו על ידי המעבדה של לינדן ארצ'ר, ג 'יימס A. חבר משפחה נכבד פרופסור להנדסה בבית הספר סמית של הנדסה כימית Biomolecular. זנגיאן טו, Ph.D. '17, ו Snehashis Choudhury, Ph.D. "18, שניהם של קבוצת ארצ'ר, בנה וניתוח הביצועים של הסוללות המשמשות במחקר.

השיטה שפותחה על ידי המעבדה של Kourkoutis כוללת הקפאה מהירה של אלקטרוליט על האלקטרודה, וכן חבילת טכניקות מיקרוסקופיה cryogenic לנתח את המידע המורפולוגי, כימי מבניים בממשק מוצק נוזלי. עבודה זו יש השלכות על מערכות הרבה מעבר לאחסון אנרגיה, אומרים החוקרים.

"הטכניקה שפיתחנו באמת מאפשרת לנו להציג באופן לא ברור את המתרחש בממשקים המסובכים האלה", אמר קורקוטיס. "וזה המפתח כדי להבין לא רק את ממשק מסוים, אלא גם את ההשלכות של תגובות או תהליכים המתרחשים."

Kourkoutis אמר כי עבודה זו היתה בהשראת הניסיון שלה במעבדה ביולוגיה במכון מקס פלנק בגרמניה, שם היא השתמשה בשיטה קרא cryo-FIB (קרן יון ממוקדת) כדי להסתכל על תהליכים בתוך התאים. בקורנל, הקבוצה שלה הסתגלו cryo-FIB עבור ממשקים מוצקים נוזלי ושילב אותו עם cryo-STEM (סריקת שידור מיקרוסקופית אלקטרונים) כדי לגשת למבנה שלם של הדנדריטים ב הננומטריה.

עבור עבודה זו, סוללות מטבע מטבע נפתחו האלקטרודה מיד צלל לתוך cryogen להקפיא במהירות ולשמור על המבנה. זכמן, שהכין את הדגימות וביצע את הניסויים, גילה שני סוגים שונים של דנדריטים על פני הצומת: סוג אני היה גדול יחסית (כ 5 מיקרון על פני) עם עקמומיות נמוכה; סוג II היה מאות ננומטרים עבים ומפותלים.

בנוסף, הדנדריטים מסוג I הציגו אינטרפז מוצק-אלקטרוליט מוצק (SEI) - שכבה רכה הנחשבת כמבשר לצמיחת דנדריט - כ -300 עד 500 ננומטרים עבים, הרבה יותר גדולים מזה שנצפתה קודם לכן. גילוי של שכבה זו - אשר המחקר מציע הוא איבד בעיקר במהלך הכביסה וייבוש צורך ניתוח מסורתי - אותות כי ליתיום יותר הוא איבד באופן בלתי הפיך לשכבת SEI מאשר בעבר חשבתי.

טכניקת הקבוצה גילתה גם כי הדנדריטים מסוג II הורכבו מימן ליתיום. "רק דנדריטים המורכבים ממתכת ליתיום היו אמורים להיות בסוללות", אומר זכמן, "ועכשיו אנחנו רואים שיש גם דנדריטים של ליתיום הידריד נוכחים, ויש להם השפעות משמעותיות על הסוללה".

לדברי ארצ'ר, התגליות הללו יסייעו לספק "רמזים חשובים לגבי האופן שבו ניתן לגשת לתכנון כימי של אלקטרוליטים של סוללות".

שיתוף הפעולה בין קבוצות Kourkoutis ו Archer נבע הצעה משותפת נכתב כדי להבטיח 2.7 מיליון דולר מהקרן הלאומית למדע כדי להשיג את מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה שידור המשמש במחקר זה.

"זוהי הדגמה יוצאת דופן של המורשת של שיתופי פעולה רדיקליים אשר הגיעו כדי להגדיר חומרים מדע מחקר בקורנל, אשר לבדל קורנל מחבריה כמו המקום לעשות עבודה כזו", אמר ארצ'ר.

menu
menu