Met behulp van röntgentomografie, een onderzoeksteam heeft de interne evolutie van de materialen in solid-state lithiumbatterijen waargenomen terwijl ze werden opgeladen en ontladen. Gedetailleerde driedimensionale informatie uit het onderzoek zou kunnen helpen de betrouwbaarheid en prestaties van de batterijen te verbeteren, die vaste materialen gebruiken om de ontvlambare vloeibare elektrolyten in bestaande lithium-ionbatterijen te vervangen.

De operando synchrotron X-ray computergestuurde microtomografie-beeldvorming onthulde hoe de dynamische veranderingen van elektrodematerialen op lithium/vast-elektrolyt-interfaces het gedrag van solid-state batterijen bepalen. De onderzoekers ontdekten dat de werking op batterijen holtes veroorzaakte op de interface, die een contactverlies veroorzaakte dat de primaire oorzaak was van het falen in de cellen.

"Dit werk biedt fundamenteel begrip van wat er in de batterij gebeurt, en die informatie zou belangrijk moeten zijn voor het begeleiden van technische inspanningen die deze batterijen de komende jaren dichter bij de commerciële realiteit zullen brengen, " zei Matthew McDowell, een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering en de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "We waren in staat om precies te begrijpen hoe en waar holtes ontstaan ​​op de interface, en breng dat dan in verband met de prestaties van de batterij."

Het onderzoek, ondersteund door de National Science Foundation, een Sloan Research Fellowship, en het Air Force Office of Scientific Research, wordt op 28 januari in het journaal gerapporteerd Natuurmaterialen .

De lithium-ionbatterijen die nu wijdverbreid worden gebruikt voor alles, van mobiele elektronica tot elektrische voertuigen, vertrouwen op een vloeibare elektrolyt om ionen heen en weer te transporteren tussen elektroden in de batterij tijdens laad- en ontlaadcycli. De vloeistof bedekt de elektroden gelijkmatig, waardoor de ionen vrij kunnen bewegen.

De snel evoluerende solid-state batterijtechnologie gebruikt in plaats daarvan een vaste elektrolyt, die zou moeten helpen de energiedichtheid te verhogen en de veiligheid van toekomstige batterijen te verbeteren. Maar het verwijderen van lithium van elektroden kan holtes creëren op interfaces die betrouwbaarheidsproblemen veroorzaken die de levensduur van de batterijen beperken.

"Om dit tegen te gaan, je zou je kunnen voorstellen om gestructureerde interfaces te creëren via verschillende depositieprocessen om te proberen contact te houden via het cyclische proces, "McDowell zei. "Zorgvuldige controle en engineering van deze interfacestructuren zal erg belangrijk zijn voor de toekomstige ontwikkeling van solid-state batterijen, en wat we hier hebben geleerd, kan ons helpen bij het ontwerpen van interfaces."

Het Georgia Tech-onderzoeksteam, onder leiding van eerste auteur en afgestudeerde student Jack Lewis, bouwde speciale testcellen van ongeveer twee millimeter breed die waren ontworpen om te worden bestudeerd bij de Advanced Photon Source, een synchrotron-faciliteit in het Argonne National Laboratory, een faciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in de buurt van Chicago. Vier leden van het team bestudeerden de veranderingen in de batterijstructuur tijdens een periode van vijf dagen van intensieve experimenten.

"Het instrument neemt beelden uit verschillende richtingen, en je reconstrueert ze met behulp van computeralgoritmen om 3D-beelden van de batterijen in de loop van de tijd te maken, "Zei McDowell. "We hebben deze beeldvorming gedaan terwijl we de batterijen aan het opladen en ontladen waren om te visualiseren hoe de dingen in de batterijen veranderden terwijl ze werkten."

Omdat lithium zo licht is, het in beeld brengen met röntgenstralen kan een uitdaging zijn en vereist een speciaal ontwerp van de testbatterijcellen. De technologie die bij Argonne wordt gebruikt, is vergelijkbaar met wat wordt gebruikt voor medische computertomografie (CT) -scans. "In plaats van mensen in beeld te brengen, we waren bezig met het in beeld brengen van batterijen, " hij zei.

Vanwege beperkingen bij het testen, de onderzoekers konden de structuur van de batterijen slechts door een enkele cyclus observeren. Bij toekomstig werk, McDowell wil graag zien wat er gebeurt over extra cycli, en of de structuur zich op de een of andere manier aanpast aan het ontstaan ​​en opvullen van holtes. De onderzoekers denken dat de resultaten waarschijnlijk ook van toepassing zijn op andere elektrolytformuleringen, en dat de karakteriseringstechniek kan worden gebruikt om informatie te verkrijgen over andere batterijprocessen.

Accupacks voor elektrische voertuigen moeten minstens duizend cycli doorstaan ​​tijdens een verwachte 150, levensduur van 000 mijl. Terwijl solid-state batterijen met lithium-metaalelektroden meer energie kunnen bieden voor een batterij van een bepaald formaat, dat voordeel zal de bestaande technologie niet overwinnen, tenzij ze een vergelijkbare levensduur kunnen bieden.

"We zijn erg enthousiast over de technologische vooruitzichten voor solid-state batterijen, " zei McDowell. "Er is aanzienlijke commerciële en wetenschappelijke interesse op dit gebied, en informatie uit deze studie zou moeten helpen deze technologie vooruit te helpen naar brede commerciële toepassingen."