Solid-state batterijen - een nieuw batterijontwerp dat alle vaste componenten gebruikt - hebben de afgelopen jaren aandacht gekregen vanwege hun potentieel om veel meer energie vast te houden en tegelijkertijd de veiligheidsuitdagingen van hun op vloeistof gebaseerde tegenhangers te vermijden.

Maar het bouwen van een duurzame solid-state batterij is makkelijker gezegd dan gedaan. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben röntgencomputertomografie (CT) gebruikt om in realtime te visualiseren hoe scheuren zich vormen aan de randen van de interfaces tussen materialen in de batterijen. De bevindingen kunnen onderzoekers helpen manieren te vinden om de apparaten voor energieopslag te verbeteren.

"Solid-state-batterijen kunnen veiliger zijn dan lithium-ionbatterijen en mogelijk meer energie bevatten, wat ideaal zou zijn voor elektrische voertuigen en zelfs elektrische vliegtuigen, " zei Matthew McDowell, een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering en de School of Materials Science and Engineering. "Technologisch, het is een zeer snel bewegend veld, en daar zijn veel bedrijven in geïnteresseerd."

In een typische lithium-ionbatterij, energie komt vrij tijdens de overdracht van lithiumionen tussen twee elektroden - een kathode en een anode - via een vloeibare elektrolyt.

Voor de studie, die op 4 juni in het tijdschrift werd gepubliceerd ACS Energiebrieven en werd gesponsord door de National Science Foundation, het onderzoeksteam bouwde een solid-state batterij waarin een massieve keramische schijf was ingeklemd tussen twee stukken vast lithium. De keramische schijf verving de typische vloeibare elektrolyt.

"Het is de uitdaging om erachter te komen hoe deze solide stukken in elkaar passen en zich goed gedragen gedurende lange perioden, "Zei McDowell. "We werken eraan om deze interfaces tussen deze solide stukken te engineeren om ze zo lang mogelijk mee te laten gaan."

In samenwerking met Christopher Saldana, een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan Georgia Tech en een expert in röntgenbeeldvorming, de onderzoekers plaatsten de batterij onder een röntgenmicroscoop en laadden hem op en ontladen hem, op zoek naar fysieke veranderingen die wijzen op degradatie. Langzaam in de loop van enkele dagen, een webachtig patroon van scheuren gevormd door de schijf.

Die scheuren zijn het probleem en treden op naast de groei van een interfaselaag tussen het lithiummetaal en de vaste elektrolyt. De onderzoekers ontdekten dat deze breuk tijdens het fietsen weerstand veroorzaakt tegen de stroom van ionen.

"Dit zijn ongewenste chemische reacties die plaatsvinden op de grensvlakken, " zei McDowell. "Mensen hebben over het algemeen aangenomen dat deze chemische reacties de oorzaak zijn van de afbraak van de cel. Maar wat we leerden door deze beeldvorming te doen, is dat in dit specifieke materiaal, het zijn niet de chemische reacties zelf die slecht zijn - ze hebben geen invloed op de prestaties van de batterij. Wat erg is, is dat de cel breekt, en dat vernietigt de prestaties van de cel."

Het oplossen van het breukprobleem zou een van de eerste stappen kunnen zijn om het potentieel van solid-state batterijen te ontsluiten, inclusief hun hoge energiedichtheid. De waargenomen verslechtering heeft waarschijnlijk gevolgen voor andere typen solid-state batterijen, merkten de onderzoekers op, dus de bevindingen kunnen leiden tot het ontwerp van duurzamere interfaces.

"In normale lithium-ionbatterijen, de materialen die we gebruiken bepalen hoeveel energie we kunnen opslaan, "Zei McDowell. "Puur lithium kan het meeste bevatten, maar het werkt niet goed met vloeibare elektrolyt. Maar als je vast lithium zou kunnen gebruiken met een vast elektrolyt, dat zou de heilige graal van energiedichtheid zijn."