Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie

Katherine J. Harry; Dilworth Y. Parkinson; Nitash P. Balsara

doi:10.3791/53021

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Methodenartikel

Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie

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DOI:

10.3791/53021

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26. August 2015

Katherine J. Harry¹^,² , Dilworth Y. Parkinson³ , Nitash P. Balsara²^,⁴^,⁵

¹Department of Materials Science and Engineering, University of California Berkeley, ²Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, ³Advanced Light Source Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, ⁴Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of California Berkeley, ⁵Environmental Energy Technology Division, Lawrence Berkeley National Laboratory

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Die auf Synchrotron basierende harte Röntgenmikrotomographie wird verwendet, um das elektrochemische Wachstum von Dendriten von einer Lithiummetallelektrode durch eine feste Polymerelektrolytmembran abzubilden.

Zusammenfassung

Die Abbildung morphologischer Veränderungen, die während der Lebensdauer von wiederaufladbaren Batterien auftreten, ist notwendig, um zu verstehen, wie diese Geräte versagen. Seit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Batterien wissen Forscher, dass die Lithium-Metall-Anode die höchste theoretische Energiedichte aller Anodenmaterialien aufweist. Wiederaufladbare Batterien, die eine Lithium-Metall-Anode enthalten, werden jedoch nicht häufig in Konsumgütern verwendet, da das Wachstum von Lithium-Dendriten aus der Anode beim Laden der Batterie zu einem vorzeitigen Zellausfall durch Kurzschluss führt. Lithium-Dendriten können sich auch in handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden bilden, wenn diese falsch geladen werden. Wir zeigen, dass das Wachstum von Lithium-Dendriten mit Hilfe der Synchrotron-basierten harten Röntgenmikrotomographie untersucht werden kann. Dieses zerstörungsfreie Bildgebungsverfahren ermöglicht es Forschern, das Wachstum von Lithium-Dendriten sowie andere morphologische Veränderungen im Inneren von Batterien zu untersuchen und anschließend Methoden zur Verlängerung der Batterielebensdauer zu entwickeln.

Einleitung

Forscher untersuchen aktiv Batteriechemien mit theoretischen Energiedichten, die über eine Größenordnung größer sind als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. ^1,2 Diese Batterien mit hoher Energiedichte werden Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähiger gegenüber ihren benzinbetriebenen Pendants machen. ³ Diese neuen Chemikalien weisen jedoch mehrere Fehlermodi auf, die ihren Einsatz in kommerziellen Technologien ausschließen. Zum Beispiel benötigen diese Batteriechemien eine Lithium-Metall-Anode, um eine große Verbesserung der Energiedichte zu erzielen. Leider ist Lithiummetall anfällig für Dendritenwachstum, da Lithium-Ionen während des Ladevorgan....