Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben aangetoond dat elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) een krachtig niet-destructief hulpmiddel kan zijn om de afbraakmechanismen van volledig solid-state lithium-metaalbatterijen te bestuderen. Ze bestudeerden op keramiek gebaseerde volledig solid-state Li-metaalbatterijen, bereid door aerosolafzetting en verwarming, en identificeerden de specifieke interface die verantwoordelijk is voor de prestatiedaling. Gepubliceerd in ACS Applied Materials &Interfaces , belichten hun werk nauwkeurig de technische hindernissen die moeten worden overwonnen om deze eersteklas batterijen op de markt te brengen.

Elektrische voertuigen (EV's) zijn een cruciaal onderdeel van de wereldwijde inspanningen om de CO2-uitstoot te verminderen. En het hart van elke EV is de batterij. Het batterijontwerp blijft een belangrijk knelpunt als het gaat om het maximaliseren van het rijbereik en het verbeteren van de voertuigveiligheid. Een van de voorgestelde oplossingen, all-solid-state lithium-metaalbatterijen, heeft het potentieel om een ​​hogere energiedichtheid, veiligheid en lagere complexiteit te bieden, maar technische problemen blijven de overgang naar alledaagse voertuigen belemmeren.

Een groot probleem is de grote grensvlakweerstand tussen elektroden en vaste elektrolyten. In veel batterijontwerpen zijn zowel kathode- als elektrolytmaterialen brosse keramiek; dit maakt het moeilijk om goed contact tussen hen te hebben. Er is ook de uitdaging om te diagnosticeren welke interface daadwerkelijk problemen veroorzaakt. Om de degradatie van volledig solid-state lithium-metaalbatterijen te bestuderen, moeten ze over het algemeen opengesneden worden:dit maakt het onmogelijk om erachter te komen wat er gebeurt terwijl de batterij werkt.

Een team onder leiding van professor Kiyoshi Kanamura van de Tokyo Metropolitan University heeft volledig solid-state Li-metaalbatterijen ontwikkeld met een lagere grensvlakweerstand met behulp van een techniek die aerosolafzetting wordt genoemd. Microscopisch kleine stukjes kathodemateriaal worden versneld naar een laag keramisch elektrolytmateriaal waar ze botsen en een dichte laag vormen.

Om het probleem van scheurvorming bij een botsing te voorkomen, heeft het team de brokken kathodemateriaal gecoat met een "soldeer"-materiaal, dat wil zeggen een zachter materiaal met een laag smeltpunt dat met warmte kan worden behandeld om een ​​uitstekend contact tussen de nieuw gevormde kathode en elektrolyt. Hun uiteindelijke volledig solid-state Li/Li₇ La₃ Zr₂ O₁₂ /LiCoO₂ cel levert een hoge initiële ontladingscapaciteit van 128 mAh g ^-1 bij zowel 0,2 als 60 °C en behoudt een hoge capaciteitsretentie van 87% na 30 laad-/ontlaadcycli. Dit is een best-in-class resultaat voor volledig solid-state Li-metaalbatterijen met keramische oxide-elektrolyten, waardoor het des te belangrijker is om echt grip te krijgen op hoe ze kunnen degraderen.

Hier gebruikte het team elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS), een veelgebruikt diagnostisch hulpmiddel in de elektrochemie. Door te interpreteren hoe de cel reageert op elektrische signalen van verschillende frequenties, konden ze de weerstanden van het bereik van verschillende interfaces in hun batterij scheiden. In het geval van hun nieuwe cel ontdekten ze dat een toename van de weerstand tussen het kathodemateriaal en het soldeer de belangrijkste reden was voor het verval van de celcapaciteit. Belangrijk is dat ze dit bereikten zonder de cel uit elkaar te scheuren. Ze waren ook in staat om dit te staven met behulp van in-situ elektronenmicroscopie, waarmee ze tijdens het fietsen duidelijk scheurvorming in de interface konden identificeren.

De innovaties van het team hebben niet alleen geleid tot een geavanceerd batterijontwerp, maar hebben ook de volgende stappen benadrukt voor het maken van verdere verbeteringen met behulp van een schadevrije, algemeen beschikbare methode. Hun nieuwe paradigma belooft opwindende nieuwe ontwikkelingen voor batterijen in de volgende generatie EV's. + Verder verkennen

Ionische vloeistoffen maken een plons in de nieuwe generatie solid-state lithium-metaalbatterijen