Stanford-Wissenschaftler beleuchten Blockade für jedes Batterie welcher nächsten Generation, die sich sehr schnell auflädt

Neue Lithium-Metall-Batterien mit Festelektrolyten sind leichtgewichtig, brennbar, packen viel Leistung und können sehr schnell wieder voll werden, allerdings sie nach sich ziehen sich aufgrund mysteriöser Kurzschlüsse und Ausfälle nur langsam entwickelt. Jetzt sagen Forscher welcher Stanford University und des SLAC Nationalistisch Accelerator Laboratory, dass sie dies Rätsel gelöst nach sich ziehen.

Hinauf Stress – genauer gesagt hinaus mechanische Tension – kommt es an, vor allem beim Uploaden.

„Schon ein leichtes Eindrücken, Verbiegen oder Verdrehen welcher Batterien kann dazu münden, dass sich nanoskopische Risse in den Materialien öffnen und Lithium in den Festelektrolyten eindringt, welches zu einem Kurzschluss führt“, erklärte welcher leitende Schriftsteller William Chueh, außerordentlicher Professor für jedes Materialwissenschaften und -technik in welcher School of Engineering und welcher Energiewissenschaften und -technik in welcher neuen Stanford Doerr School of Sustainability.

„Sogar Staub oder andere Verunreinigungen, die wohnhaft bei welcher Herstellung eingebracht werden, können genug Stress erzeugen, um Fehler zu verursachen“, sagte Chueh, welcher die Wissenschaft zusammen mit Wendy Gu, einer Assistenzprofessorin für jedes Maschinenbau, leitete.

Dasjenige Problem des Versagens von Festelektrolyten ist nicht neu und viele nach sich ziehen dies Phänomen untersucht. Theorien darüber, welches genau die Ursache ist, gibt es zuhauf. Manche sagen, welcher unbeabsichtigte Elektronenfluss sei schuld, während andere hinaus die Chemie verweisen. Wieder andere theoretisieren, dass andere Vitalität im Spiel sind.

In einer am 30. Januar in welcher Zeitschrift Nature Energy veröffentlichten Studie exemplifizieren die Cobalt-Hauptautoren Geoff McConohy, Xin Xu und Teng Cui in rigorosen, statistisch signifikanten Experimenten, wie nanoskalige Defekte und mechanische Belastungen dazu münden, dass Festelektrolyte versagen. Wissenschaftler hinaus welcher ganzen Welt, die versuchen, neue wiederaufladbare Festelektrolytbatterien zu gedeihen, können dies Problem umgehen oder sogar die Erfindung zu ihrem Vorteil nutzen, wie ein Hauptteil dieses Stanford-Teams jetzt forscht. Energiedichte, schnell aufladbare, nicht brennbare Lithium-Metall-Batterien mit langer Nutzungsdauer könnten neben zahlreichen anderen Vorteilen die Haupthindernisse für jedes den breiten Pfand von Elektrofahrzeugen fertigmachen.

Statistische Signifikanz
Viele welcher heute führenden Festelektrolyte sind keramisch. Sie zuteilen vereinigen schnellen Vorschub von Lithium-Ionen und trennen die beiden energiespeichernden Elektroden räumlich voneinander. Vor allem sind sie unbrennbar. Dagegen, wie Tonware in unseren Häusern, können sie winzige Risse hinaus ihrer Oberfläche gedeihen.

Die Forscher demonstrierten durch mehr denn 60 Experimente, dass Tonware oft von nanoskopischen Rissen, Dellen und Rissen penetriert ist, von denen viele weniger denn 20 Nanometer breit sind. (Ein Schneide Papier ist etwa 100.000 Nanometer dick.) Während des Schnellladens, sagen Chueh und sein Team, öffnen sich selbige inhärenten Brüche, wodurch Lithium eindringen kann.

In jedem Studie brachten die Forscher eine elektrische Sonde an vereinigen Festelektrolyten an, wodurch eine Miniaturbatterie entstand, und verwendeten ein Elektronenmikroskop, um dies schnelle Aufladen in Echtzeit zu beobachten. Anschließend nutzten sie vereinigen Ionenstrahl denn Skalpell, um zu verstehen, warum sich dies Lithium an manchen Stellen wunschgemäß hinaus welcher Oberfläche welcher Tonware sammelt, während es an anderen Stellen beginnt, sich immer tiefer einzugraben, solange bis dies Lithium den Festelektrolyten überbrückt , wodurch ein Kurzschluss entsteht.

Welcher Unterschied ist welcher Verdichtung. Wenn die elektrische Sonde lediglich die Oberfläche des Elektrolyten berührt, sammelt sich Lithium schön hinaus dem Elektrolyten, wenn auch die Batterie in weniger denn einer Minute voll wird. Wenn die Sonde jedoch in den keramischen Elektrolyten drückt und die mechanischen Belastungen durch Eindrücken, Verbiegen und Verdrehen nachahmt, ist es wahrscheinlicher, dass die Batterie kurzschließt.

Theorie in die Realität
Eine reale Festkörperbatterie besteht aus Schichten zusätzlich Schichten von Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Platter Reifen, die übereinander gestapelt sind. Die Rolle des Elektrolyten besteht darin, die Minuspol physisch von welcher positive Elektrode zu trennen und obschon zu zuteilen, dass sich Lithiumionen vakant zwischen den beiden in Bewegung setzen können. Wenn sich Minuspol und positive Elektrode berühren oder hinaus jedwede Weise elektrisch verbunden sind, wie etwa durch vereinigen Tunnel aus metallischem Lithium, entsteht ein Kurzschluss.

Wie Chueh und sein Team zeigen, verursacht selbst eine subtile Schleife, leichte Umlauf oder ein Stäubchen, dies zwischen dem Elektrolyten und welcher Lithiumanode gefangen ist, nicht wahrnehmbare Spalten.

„Auf Grund welcher Möglichkeit, sich in den Elektrolyten einzugraben, wird sich dies Lithium schließlich durchschlängeln und die Minuspol und positive Elektrode verbinden“, sagte McConohy, welcher vergangenes Jahr in Chuehs Laboratorium promoviert wurde und jetzt in welcher Industrie arbeitet. „Wenn dies passiert, versagt die Batterie.“

Dasjenige neue Verständnis wurde wiederholt demonstriert, sagten die Forscher. Sie nahmen ein Video des Prozesses mit Rasterelektronenmikroskopen hinaus – dieselben Mikroskope, die die entstehenden Risse im reinen, ungetesteten Elektrolyten nicht sehen konnten.

Es ist ein kleinster Teil so, wie ein Schlagloch in einem ebenso perfekten Straßenpflaster erscheint, erklärte Xu. Durch Regen und Schnee pressen Autoreifen Wasser in die winzigen, schon vorhandenen Unvollkommenheiten im Straßenbelag, wodurch immer breitere Risse entstehen, die mit welcher Zeit wachsen.

„Lithium ist gewissermaßen ein weiches Werkstoff, allerdings wie beim Wasser in welcher Schlaglochanalogie braucht es nur Verdichtung, um die Lücke zu vergrößern und vereinigen Störfall zu verursachen“, sagte Xu, ein Postdoktorand in Chuehs Laboratorium.

Mit ihrem neuen Verständnis in welcher Hand sucht Chuehs Team nachdem Möglichkeiten, genau selbige mechanischen Vitalität spezifisch einzusetzen, um dies Werkstoff während welcher Herstellung zu härten, verwandt wie ein Schmied eine Klinge während welcher Produktion glüht. Sie suchen selbst nachdem Möglichkeiten, die Elektrolytoberfläche zu beschichten, um Risse zu verhindern oder sie zu reparieren, wenn sie entstehen.

„Welche Verbesserungen beginnen allesamt mit einer einzigen Frage: Warum?“, sagte Cui, ein Postdoktorand in Gus Laboratorium. „Wir sind Ingenieure. Dasjenige Wichtigste, welches wir tun können, ist herauszufinden, warum irgendetwas passiert. Wenn wir dies wissen, können wir Gedöns verbessern.“

Forschungsbericht: Mechanische Regulierung welcher Lithium-Intrusionswahrscheinlichkeit in Nordseekrabbe-Festelektrolyten

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