Volledig solid-state batterijen, een batterijontwerp dat bestaat uit alle solide componenten, hebben de aandacht getrokken als de volgende grote vooruitgang na lithium-ionbatterijen vanwege hun potentieel om meer energie op te slaan en tegelijkertijd veiliger te werken. Wanneer het in commerciële hoeveelheden kan worden geproduceerd, solid-state batterijen zouden een revolutie teweegbrengen in elektrische voertuigen (EV's) die het rijbereik effectief vergroten of het volume en het gewicht aanzienlijk verminderen.

Toch kunnen solid-state batterijen falen na het fietsen (herhaaldelijk opladen en ontladen) bij praktische stromen, wat een van de belemmeringen is geweest voor hun massale commercialisering.

In een nieuw artikel gepubliceerd door Natuurmaterialen , getiteld "Kritische stripstroom leidt tot dendrietvorming bij beplating in vaste elektrolytcellen met lithiumanode, " Onderzoekers van het Faraday Institution aan de Universiteit van Oxford hebben een stap voorwaarts gezet in het begrijpen van de mechanismen waardoor solid-state batterijen falen - een noodzakelijke voorwaarde om dergelijke storingen te voorkomen.

Dendrieten zijn vertakkende netwerken van lithium die door de vaste, keramiek, elektrolyt tijdens het opladen van een batterij, kortsluiting veroorzaken.

"Dit onderzoek draagt ​​bij aan onze fundamentele kennis over waarom solid-state batterijen zich gedragen zoals ze doen. We geloven dat ons verbeterde begrip zal helpen bij het informeren van benaderingen om enkele van de problemen bij de lithiummetaalanode in vaste elektrolytcellen te voorkomen, ", zei professor Peter G. Bruce van de afdelingen Materialen en Chemie van de Universiteit van Oxford en hoofdonderzoeker van het SOLBAT-project van de Faraday Institution, wiens team het onderzoek leidde.

Het creëren van lege plekken aan de anode van vastestofcellen is al lang erkend, maar hun rol in dendrietvorming is niet begrepen. De studie maakt gebruik van een combinatie van geavanceerde elektrochemische en beeldvormende technieken om een ​​fundamenteel begrip te vormen van de vorming van lege ruimten als een functie van fietsen en de rol ervan bij dendrieten en celfalen.

aanzienlijk, parameters in het faalmodel correleren met belangrijke fysieke eigenschappen die kunnen worden gebruikt als "hefbomen" om de vorming van lege ruimten en celfalen te onderdrukken.

"Het is van cruciaal belang om de wetenschappelijke barrières te slechten die de vooruitgang naar de markt van technologieën die onze visie op de toekomst van mobiliteit mogelijk zullen maken, in de weg staan. De studie door Oxford-onderzoekers is een vroeg voorbeeld van een wetenschappelijke vooruitgang die het Faraday-instituut heeft opgezet om rit, " zei Tony Harper, Directeur van de ISCF Faraday Battery Challenge bij UK Research &Innovation.

Het onderzoek:belang van kritische stroomdichtheid bij strippen

Een algemeen erkende uitdaging voor wetenschappers die solid-state batterijen bestuderen, is het voorkomen van dendrietgroei wanneer batterijen worden gewisseld tussen een opgeladen en een ongeladen toestand (zoals ze herhaaldelijk zouden moeten doen als ze worden gebruikt om EV's van stroom te voorzien).

Een ander belangrijk probleem is de vorming van holtes tussen de vaste elektrolyt en lithiumanode (negatief geladen elektrode) tijdens het strippen (ontlading van een batterij), wat leidt tot een kleiner contactgebied tussen die twee delen van de batterijcel.

Het is moeilijk om lithiumbeplating te scheiden van strippen met behulp van een experiment met een batterijcel die de gebruikelijke twee elektroden bevat. In deze studie gebruikten onderzoekers cellen met drie elektroden om de processen van het plateren en strippen van lithiummetaal op de lithiummetaal/keramische interface op batterijcycli afzonderlijk te bestuderen. argyrodiet, Li6PS5Cl, werd gekozen als de vaste elektrolyt. Dergelijke sulfiden hebben een hogere geleidbaarheid dan oxiden en worden nagestreefd als de elektrolyt bij uitstek door verschillende bedrijven die proberen vaste-stofbatterijen op de markt te brengen. Argyrodiet heeft het voordeel dat het minder bros is dan andere sterk geleidende sulfiden.

De onderzoekers ontdekten dat als dendrietvorming moet worden vermeden in volledig solid-state batterijcellen, het is van vitaal belang om de cellen onder de kritische stroomdichtheid te brengen waarbij zich tijdens lithiumstripping (CCS) holtes beginnen te vormen op het grensvlak lithiummetaal/vast elektrolyt. Dit is zelfs het geval wanneer de stroomdichtheid onder de drempel voor dendrietvorming bij plateren ligt. Wanneer de stroomdichtheid groter is dan CCS, holtes stapelen zich op tijdens het fietsen, het lithium/vaste elektrolytoppervlak van contact neemt dienovereenkomstig af en als gevolg daarvan neemt de lokale stroomdichtheid toe totdat deze een waarde bereikt waarbij dendrieten zich vormen op de beplating, leidend tot kortsluiting en celstoring. Het kan meerdere cycli duren, maar het onderzoek toont aan dat celfalen onvermijdelijk is als de totale stroomdichtheid groter is dan CCS. Deze resultaten laten zien dat niet alleen de stroomdichtheid voor dendrietvorming belangrijk is bij het bereiken van cycli van volledig vaste-stofcellen bij praktische stroomdichtheden; stripstromen zijn ook belangrijk.

De onderzoekers concluderen ook dat de lithiummetaalkruip het primaire mechanisme is voor het transporteren van lithiummetaal op het grensvlak.

Het team dat aan deze ontdekking werkte, omvatte een mix van theoretici en experimentatoren, in het type multidisciplinaire onderzoeksomgeving dat de Faraday-instelling bevordert.

De prijzen voor de ontwikkeling van een commerciële volledig solid-state batterij voor elektrische voertuigen

Klein, niet oplaadbaar, solid-state batterijen groeien in commercieel gebruik, bijvoorbeeld, in medische implantaten zoals hartbewaking. Echter, er blijven aanzienlijke uitdagingen in verband met zowel de fabricage van solid-state batterijen op de schaal die nodig is voor gebruik in EV's, en om ervoor te zorgen dat dergelijke apparaten veilig en met aanvaardbare prestatieniveaus werken gedurende de levensduur van de EV.

De huidige lithium-ionbatterijen die in EV's worden gebruikt, bevatten een ontvlambare organische vloeibare elektrolyt, waardoor ladingdragende lithiumionen gaan tijdens het laden en ontladen van de batterij. Deze vloeistof vormt een inherent (zij het goed beheerd) veiligheidsprobleem. De vervanging van de vloeibare elektrolyt door een vaste stof zou dit brandrisico wegnemen.

Wereldwijd, aanzienlijke wetenschappelijke inspanningen worden geleverd om nieuwe batterijchemie te ontwikkelen die batterijprestaties (vermogensdichtheid en energiedichtheid) zou bereiken die een EV-rijervaring zouden geven die is afgestemd op de verwachtingen van het rijden met auto's met interne verbrandingsmotoren. De eliminatie van de behoefte aan een vloeibare elektrolyt zou een voorwaarde zijn voor het ontwikkelen van batterijen met een lithiummetaalanode, die aanzienlijke prestatieverbeteringen zou kunnen ontgrendelen.