Lebih baik, lebih cepat, lebih kuat: Membangun baterai yang tidak meledak

July 11, 2018

Ada pepatah lama: "Kamu harus belajar berjalan sebelum kamu belajar berlari." Meskipun ada hikmah seperti itu, banyak industri melewatkan dasar-dasar dan mendaftar untuk maraton, termasuk industri baterai.

Baterai lithium ion memiliki janji yang luar biasa untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan, tetapi mereka mudah menguap. Kita semua pernah mendengar berita tentang baterai lithium ion di ponsel - terutama Samsung Galaxy 7 - yang menyebabkan ponsel terbakar.

Sebagian besar masalah muncul dari penggunaan cairan elektrolit yang mudah terbakar di dalam baterai. Salah satu pendekatan adalah menggunakan elektrolit padat yang tidak mudah terbakar bersama dengan elektroda logam lithium. Ini akan meningkatkan energi baterai sambil mengurangi kemungkinan kebakaran.

Pada dasarnya, tujuannya adalah membangun baterai solid-state generasi berikutnya yang tidak booming. Perjalanan adalah memahami secara fundamental litium.

"Semua orang hanya melihat komponen penyimpanan energi dari baterai," kata Erik Herbert, asisten profesor ilmu dan teknik material di Michigan Technological University. "Sangat sedikit kelompok penelitian yang tertarik untuk memahami elemen-elemen mekanis. Tetapi rendah dan lihatlah, kami menemukan bahwa sifat mekanis dari lithium itu sendiri mungkin merupakan bagian kunci dari teka-teki."

Peneliti Michigan Tech berkontribusi secara signifikan untuk mendapatkan pemahaman mendasar tentang lithium dengan hasil yang dipublikasikan hari ini dalam serangkaian tiga kertas yang diundang dalam Journal of Material Research, yang diterbitkan bersama oleh Material Research Society dan Cambridge University Press. Herbert dan Stephen Hackney, profesor ilmu dan teknik material, bersama dengan Violet Thole, seorang mahasiswa pascasarjana di Michigan Tech, Nancy Dudney di Oak Ridge National Laboratory dan Sudharshan Phani di Pusat Penelitian Lanjut Internasional untuk Metalurgi Serbuk dan Bahan Baru, berbagi hasil yang menggarisbawahi pentingnya perilaku mekanik lithium dalam mengendalikan kinerja dan keamanan baterai generasi berikutnya.

Seperti daur ulang beton yang merusak pembekuan, lithium dendrit merusak baterai

Lithium adalah logam yang sangat reaktif, yang membuatnya rentan terhadap perilaku buruk. Tetapi juga sangat baik dalam menyimpan energi. Kami ingin ponsel kami (dan komputer, tablet dan perangkat elektronik lainnya) untuk mengisi daya secepat mungkin, dan produsen baterai menghadapi tekanan kembar: Membuat baterai yang mengisi dengan sangat cepat, melewati muatan antara katoda dan anoda secepat mungkin, dan membuat baterai andal meski sudah diisi berulang kali.

Lithium adalah logam yang sangat lunak, tetapi tidak berperilaku seperti yang diharapkan selama operasi baterai. Tekanan pemasangan yang tak terelakkan terjadi selama pengisian dan pemakaian baterai menghasilkan jari mikroskopis lithium yang disebut dendrit untuk mengisi kekurangan mikroskopis yang sudah ada dan tidak dapat dihindari - alur, pori-pori dan goresan - pada antarmuka antara anoda lithium dan pemisah elektrolit padat.

Selama bersepeda lanjutan, dendrit ini dapat memaksa masuk ke dalam, dan akhirnya melalui, lapisan elektrolit padat yang secara fisik memisahkan anoda dan katoda. Setelah dendrit mencapai katoda, perangkat sirkuit pendek dan gagal, seringkali serempak. Penelitian Herbert dan Hackney berfokus pada bagaimana lithium meredakan tekanan yang secara alami berkembang selama pengisian dan pemakaian baterai solid-state.

Pekerjaan mereka mendokumentasikan tingkah laku lithium yang luar biasa pada skala panjang submikron - mengebor ke dalam litium terkecil dan bisa dibilang merupakan atribut yang membingungkan. Dengan menanamkan film lithium dengan probe berujung berlian untuk merusak logam, para peneliti mengeksplorasi bagaimana logam bereaksi terhadap tekanan. Hasil mereka mengkonfirmasi kekuatan tinggi lithium yang tak terduga pada skala kecil yang dilaporkan awal tahun ini oleh para peneliti di Cal Tech.

Herbert dan Hackney membangun penelitian itu dengan memberikan penjelasan mekanis yang mengejutkan tentang kekuatan litium yang sangat tinggi.

Kemampuan Lithium untuk menyebarkan atau mengatur ulang atom atau ionnya sendiri dalam upaya untuk mengurangi tekanan yang diberikan oleh ujung indentor, menunjukkan kepada peneliti pentingnya kecepatan di mana lithium mengalami deformasi (yang terkait dengan seberapa cepat baterai diisi dan dibuang), serta efek cacat dan penyimpangan dalam pengaturan ion lithium yang terdiri dari anoda.

Mengebor untuk memahami perilaku lithium

Dalam artikel "Nanoindentation uap kemurnian tinggi disimpan film lithium: Modulus elastis," peneliti mengukur sifat elastis dari lithium untuk mencerminkan perubahan dalam orientasi fisik ion lithium. Hasil ini menekankan perlunya menggabungkan sifat elastis yang bergantung pada orientasi lithium ke dalam semua pekerjaan simulasi di masa depan. Herbert dan Hackney juga menyediakan bukti eksperimental yang menunjukkan lithium mungkin memiliki kemampuan yang ditingkatkan untuk mengubah energi mekanik menjadi panas pada skala panjang kurang dari 500 nanometer.

Dalam artikel berikut, "Nanoindentation uap kemurnian tinggi disimpan film lithium: Sebuah rasionalisasi mekanistik aliran difusi-dimediasi," Herbert dan dokumen Hackney's kekuatan yang sangat tinggi pada skala panjang kurang dari 500 nanometer, dan mereka menyediakan kerangka asli mereka, yang bertujuan untuk menjelaskan bagaimana kemampuan lithium untuk mengelola tekanan dikendalikan oleh difusi dan tingkat di mana bahan tersebut mengalami deformasi.

Akhirnya, dalam "Nanoindentation uap kemurnian tinggi disimpan film lithium: Sebuah rasionalisasi mekanis dari transisi dari difusi ke aliran dislokasi-dimediasi," penulis menyediakan model statistik yang menjelaskan kondisi di mana lithium mengalami transisi mendadak yang selanjutnya memfasilitasi kemampuan untuk mengurangi tekanan. Mereka juga menyediakan model yang secara langsung menghubungkan perilaku mekanik lithium dengan kinerja baterai.

"Kami mencoba untuk memahami mekanisme dimana lithium mengurangi tekanan pada skala panjang yang sepadan dengan cacat antarmuka," kata Herbert. Meningkatkan pemahaman kita tentang masalah mendasar ini akan secara langsung memungkinkan pengembangan antarmuka yang stabil yang mempromosikan kinerja bersepeda yang aman, jangka panjang dan tingkat tinggi.

Herbert mengatakan: "Saya harap pekerjaan kami memiliki dampak signifikan terhadap arah yang orang-orang coba untuk mengembangkan perangkat penyimpanan generasi berikutnya."