De race om veilig te produceren, krachtige en betaalbare solid-state lithiumbatterijen versnellen en recente aankondigingen over baanbrekend onderzoek met behulp van een solide niet-ontvlambare keramische elektrolyt, bekend als granaat, hebben sommigen in de race genoemd die het revolutionair noemen.

"Dit is een paradigmaverschuiving in energieopslag, " zei Kelsey Hatzell, universitair docent werktuigbouwkunde. Een paper - "The Effect of Pore Connectivity on Li Dendrite Propagation Within LLZO Electrolytes Observed with Synchrotron X-ray Tomography" - beschrijft haar nieuwe onderzoek naar de faalpunten van een granaatelektrolyt en werd in maart online gepubliceerd in de American Chemical Society's Energiebrieven , die die maand een van de meest gelezen ACS Letters-artikelen was.

Lithium-ionbatterijen bevatten doorgaans een vloeibare organische elektrolyt die vlam kan vatten. Het brandgevaar wordt geëlimineerd door het gebruik van een niet-ontvlambare elektrolyt op basis van granaat. Het vervangen van vloeibare elektrolyten door een vaste organische stof zoals granaat verlaagt mogelijk ook de kosten door de levensduur van de batterij te verlengen.

"Solid-state batterijen zijn wenselijk voor volledig elektrische voertuigen en andere toepassingen waar energieopslag en veiligheid voorop staan, ' zei Hatzel.

Hatzell's team testte Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ – Lithium-lanthaan-zirconiumoxide of LLZO – een materiaal van het granaat-type dat veelbelovend is voor toepassingen in volledig vaste-stofbatterijen vanwege zijn hoge Li-ion-geleidingsvermogen en zijn compatibiliteit met Li-metaal.

"Het begrijpen van de faalmechanismen binnen deze elektrolytsystemen is van cruciaal belang voor het ontwerpen van veerkrachtige vaste elektrolytsystemen, " zei Hatzell. "De primaire beperking van LLZO is de neiging tot kortsluiting bij lage stroomdichtheden."

Hatzell's studie volgt structurele veranderingen in LLZO na realistische laad- en ontlaadgebeurtenissen met behulp van synchrotron-röntgentomografie. Met deze techniek kunnen de onderzoekers in de batterij kijken en 3D-structurele kenmerken bekijken met submicron-resoluties.

"De meeste technieken die lithium in een vaste elektrolyt afbeelden, worden destructief of ex situ gedaan met behulp van scanning-elektronen- of optische microscopietechnieken. Door het materiaal onder meer realistische omstandigheden te testen met behulp van synchrotron-tools, kunnen we begraven interfaces onderzoeken, " zei Hatzel, wiens co-auteurs Fengyu Shen zijn, een postdoctoraal onderzoeker, en afgestudeerde studenten Xianghui Xiao en Marm Dixit.

"Er zijn slechts een handvol synchrotrons en neutronenbronnen in de wereld. Marm was een van de 60 afgestudeerde studenten die werden geselecteerd voor de National School on Neutron and X-ray Scattering 2017." Als onderdeel van dit programma bracht hij een week door op Oak Ridge National Lab en een week in Argonne National Lab, ' zei Hatzel.

Argonne's Advanced Photon Source en ORNL's Spallation Neutron Source en High Flux Isotope Reactor maken onderzoek op nanoschaal van geavanceerde materialen en interacties mogelijk. Dixit was in staat om te werken en synchrotron-karakteriseringstechnieken te leren van vooraanstaande wetenschappers en experts. Het team van Hatzell voerde al zijn tests uit in Argonne.

"Deze resultaten kunnen mogelijk materiaalontwerp informeren voor de volgende generatie van alle solid-state batterijsystemen. De resultaten concludeerden dat de aanwezigheid van holtes of verbonden poriën leidde tot een hoger uitvalpercentage, ' zei Hatzel.

"Hoewel er nog veel onderzoek moet worden gedaan om solid-state apparaten op de markt te brengen, hun belofte voor toepassingen in batterijen met een hoge energiedichtheid en toepassingen voor elektrische voertuigen wekt veel belangstelling over de hele wereld."