NIMS is er voor het eerst in geslaagd om opeenvolgende veranderingen in de elektrische potentiaalverdeling over een composietelektrode te visualiseren tijdens laad-/ontlaadreacties in volledig solid-state lithium-ionbatterijen. Deze verdeling was voorheen alleen meetbaar voor en na het optreden van laad-/ontlaadreacties. Microscopisch begrip van de laad-/ontlaadreactiemechanismen in elektroden kan het ontwerp van nieuwe apparaten vergemakkelijken die de prestaties van volledig solid-state lithium-ionbatterijen kunnen verbeteren.

De all-solid-state lithium-ionbatterij is een veelbelovende batterijkandidaat van de volgende generatie vanwege zijn uitstekende veiligheid en cyclische eigenschappen. De prestaties moeten verder worden verbeterd voordat het in de praktijk kan worden gebruikt. De oorzaken van prestatievermindering moeten worden geïdentificeerd door nauwkeurige analyse van elektrochemische reacties die optreden in elektroden tijdens het opladen en ontladen. In 2016 ontwikkelde dit onderzoeksteam een ​​techniek die in-situ observatie van elektrische potentiaalveranderingen in elektroden mogelijk maakt met een hoge ruimtelijke resolutie. Echter, er was veel belangstelling voor de ontwikkeling van nieuwe technieken die meer gedetailleerde analyses mogelijk zouden maken:sequentiële (dynamische) meting van veranderingen in elektrische potentiaalverdeling over een elektrode tijdens laden/ontladen.

Dit onderzoeksteam heeft onlangs een nieuwe techniek ontwikkeld die in staat is sequentiële (dynamische) veranderingen in de elektrische potentiaalverdeling in batterijen te visualiseren door een elektrochemisch meetsysteem te combineren met eerder ontwikkelde technieken (in-situ Kelvin-sondekrachtmicroscopie en een techniek die wordt gebruikt om transversale batterij monsters). Het team gebruikte vervolgens deze nieuwe gecombineerde techniek om ladings-/ontlaadreacties in actie te observeren binnen composietkathoden in volledig solid-state lithiumionbatterijen (experimentele monsters geleverd door Taiyo Yuden Co., Ltd.). Als resultaat, het team ontdekte dat ladingsreacties zich ongelijkmatig uitstrekken over de composietkathode van de stroomcollectorzijde naar de anodezijde, terwijl ontladingsreacties zich gelijkmatig over de kathode verspreiden. Deze resultaten duiden op de vorming van een ontoereikend elektronisch geleidend padnetwerk in de composietkathode tijdens een laadproces.

De techniek die in dit onderzoek is ontwikkeld, is toepasbaar op verschillende batterij-evaluaties, inclusief diepgaande analyse van de oorzaken van achteruitgang van de batterijprestaties, die moeilijk vast te stellen waren met behulp van conventionele elektrochemische metingen. Deze techniek kan batterijontwikkelaars helpen om batterijstructuren te optimaliseren en batterijen met hogere prestaties te ontwerpen.