Meilleur, plus rapide, plus fort : Batteries de bâtiment qui ne vont pas boom

Les batteries d'ion de lithium tiennent la promesse incroyable pour la capacité de stockage améliorée, mais elles sont volatiles. Nous tous avons entendu les nouvelles au sujet des batteries d'ion de lithium dans des téléphones -- spécialement le Samsung Galaxy 7 -- entraînant des téléphones attraper le feu.

Une grande partie du problème résulte de l'utilisation de l'électrolyte de liquide inflammable à l'intérieur de la batterie. Une approche est d'employer un électrolyte solide inflammable ainsi qu'une électrode en métal de lithium. Ceci augmenterait l'énergie de la batterie tout en en même temps diminuant la possibilité d'un feu.

Essentiellement, la destination construit les batteries à semi-conducteur de prochaine génération qui ne vont pas boom. Le voyage est de comprendre fondamentalement le lithium.

« Tout le monde regarde juste les composants de stockage de l'énergie de la batterie, » dit l'assistant d'Erik Herbert, de la science des matériaux et la construction à l'université technologique du Michigan. « Très peu de groupes de recherche sont intéressés à comprendre les éléments mécaniques. Mais bas et voyez, nous découvrent que les propriétés mécaniques du lithium elle-même peuvent être la pièce du puzzle principale. »

Les chercheurs de technologie du Michigan contribuent de manière significative à gagner une compréhension fondamentale de lithium avec des résultats édités aujourd'hui d'une série invitée de trois-papier dans le journal de Materials Research, édité conjointement par la presse de société et d'Université de Cambridge de Materials Research. Herbert et Stephen Hackney, professeur de science des matériaux et d'ingénierie, avec Thole violet, un étudiant de troisième cycle à la technologie du Michigan, Nancy Dudney au laboratoire national d'Oak Ridge et Sudharshan Phani au centre avancé international de recherches pour la métallurgie des poudres et les nouveaux matériaux, résultats de part qui soulignent l'importance du comportement mécanique du lithium en commandant les performances et la sécurité des batteries de prochaine génération.

Comme un béton préjudiciable de cycle gel-dégel, les dendrites de lithium endommagent des batteries

Le lithium est un métal extrêmement réactif, qui lui fait à mauvaise conduite encline. Mais il est également très bon pour stocker l'énergie. Nous voulons nos téléphones (et ordinateurs, comprimés et d'autres appareils électroniques) pour charger aussi rapidement que possible, et ainsi les fabricants de batterie font face à des pressions jumelles : Faites les batteries qui chargent très rapidement, passant une charge entre la cathode et l'anode aussi rapidement comme possible, et rendez les batteries fiables en dépit de l'remplissage à plusieurs reprises.

Le lithium est un métal très mou, mais il ne se comporte pas comme prévu pendant le fonctionnement sur batterie. La pression de support qui se produit inextricablement pendant charger et décharger des résultats d'une batterie dans des doigts microscopiques de lithium a appelé des dendrites pour remplir failles microscopiques préexistantes et inévitables -- cannelures, pores et éraflures -- à l'interface entre l'anode de lithium et le séparateur solide d'électrolyte.

Pendant le recyclage continué, ces dendrites peuvent forcer leur manière dans, et par la suite, la couche solide d'électrolyte qui sépare physiquement l'anode et la cathode. Une fois qu'une dendrite atteint la cathode, les courts-circuits de dispositif et échoue, souvent de façon catastrophique. Foyers de recherches d'Herbert et de Hackney sur la façon dont le lithium atténue la pression qui se développe naturellement pendant charger et décharger une batterie à semi-conducteur.

Leurs documents de travail que le comportement remarquable du lithium à la longueur submicronique mesure -- forage vers le bas dans le lithium plus petit et discutablement la plupart des attributs stupéfiants. En dentelant des films de lithium avec une sonde diamant-inclinée pour déformer le métal, les chercheurs explorent comment le métal réagit à la pression. Leurs résultats confirment inopinément le de haute résistance du lithium aux échelles de la longueur de petite taille rapportées plus tôt cette année par des chercheurs à la technologie de calorie.

Construction d'Herbert et de Hackney sur cette recherche en fournissant l'explication inaugurale et mécanique du lithium étonnant de haute résistance.

La capacité du lithium de répandre ou réarranger ses propres atomes ou ions afin d'essayer d'alléger la pression imposée par l'astuce de pénétrateur, montrée chercheurs l'importance de la vitesse à laquelle le lithium est déformé (ce qui est lié à la façon dont des batteries sont chargées et rapidement déchargées), aussi bien que les effets des défauts et des déviations dans la disposition des ions de lithium qui comportent l'anode.

Forage vers le bas pour comprendre le comportement du lithium

Dans l'article « Nanoindentation de vapeur de grande pureté a déposé des films de lithium : Le module élastique, des » chercheurs mesurent les propriétés élastiques du lithium pour refléter des changements de l'orientation physique des ions de lithium. Ces résultats soulignent la nécessité des propriétés élastiques orientation-dépendantes du lithium de incorporation dans tout le futur travail de simulation. Herbert et Hackney fournissent également les preuves expérimentales qui indiquent que le lithium peut avoir une capacité augmentée de transformer l'énergie mécanique en chaleur mesure longuement moins de 500 nanomètres.

Dans l'article qui suit, « Nanoindentation de vapeur de grande pureté a déposé des films de lithium : Une rationalisation mécaniste lithium écoulement, du » de document diffusion-négociés d'Herbert et de Hackney remarquablement de haute résistance mesure longuement moins de 500 nanomètres, et ils fournissent leur cadre original, qui vise à expliquer comment la capacité du lithium de contrôler la pression est commandée par la diffusion et le taux auxquels le matériel est déformé.

En conclusion, dans « Nanoindentation de vapeur de grande pureté a déposé des films de lithium : Une rationalisation mécaniste de la transition de la diffusion à l'écoulement dislocation-négocié, » les auteurs fournissent un modèle statistique qui explique les conditions dans lesquelles le lithium subit une transition brusque qui facilite plus loin sa capacité d'alléger la pression. Elles fournissent également un modèle qui lie directement le comportement mécanique du lithium aux performances de la batterie.

« Nous essayons de comprendre les mécanismes par lesquels le lithium allège les échelles de pression longuement qui sont proportionnées aux défauts dièdres, » Herbert dit. L'amélioration de notre compréhension de cette question fondamentale permettra directement le développement d'une interface stable qui favorise la représentation de recyclage de coffre-fort, de long terme et de haut débit.

Dit Herbert : « J'espère que notre travail a un impact important sur la prise de personnes de direction essayant de développer des dispositifs de stockage prochain-GEN. »