Solid-state-batterijen kunnen een sleutelrol spelen in elektrische voertuigen, omdat ze sneller opladen, een groter bereik en een langere levensduur beloven dan conventionele lithium-ionbatterijen. Maar de huidige fabricage- en materiaalverwerkingstechnieken zorgen ervoor dat solid-state batterijen vatbaar zijn voor storingen. Nu hebben onderzoekers een verborgen fout ontdekt achter de mislukkingen. De volgende stap is om materialen en technieken te ontwerpen die deze tekortkomingen verklaren en batterijen van de volgende generatie te produceren.

In een solid-state batterij bewegen geladen deeltjes, ionen genaamd, door de batterij in een vast materiaal, in tegenstelling tot traditionele lithium-ionbatterijen, waarin ionen in een vloeistof bewegen. Vaste-stofcellen bieden voordelen, maar lokale variaties of kleine gebreken in het vaste materiaal kunnen volgens de nieuwe bevindingen ertoe leiden dat de batterij verslijt of kort wordt.

"Een uniform materiaal is belangrijk", zegt hoofdonderzoeker Kelsey Hatzell, universitair docent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek en het Andlinger Center for Energy and the Environment. "Je wilt dat ionen op elk punt in de ruimte met dezelfde snelheid bewegen."

In een artikel gepubliceerd op 1 september in het tijdschrift Nature Materials , legden Hatzell en co-auteurs uit hoe ze hightech tools bij Argonne National Laboratory gebruikten om veranderingen in nanoschaalmaterialen in een batterij te onderzoeken en te volgen terwijl ze de batterij daadwerkelijk opladen en ontladen. Het onderzoeksteam, dat Princeton Engineering, Vanderbilt en Argonne en Oak Ridge National Labs vertegenwoordigt, onderzocht de korrels bestaande uit kristallen in de vaste elektrolyt van de batterij, het kerngedeelte van de batterij waardoor elektrische lading beweegt. De onderzoekers concludeerden dat onregelmatigheden tussen korrels het falen van de batterij kunnen versnellen door ionen sneller naar het ene gebied in de batterij te verplaatsen dan naar het andere. Het aanpassen van materiaalverwerkings- en fabricagebenaderingen zou kunnen helpen bij het oplossen van de betrouwbaarheidsproblemen van de batterijen.

Batterijen slaan elektrische energie op in materialen waaruit de elektroden bestaan:de anode (het uiteinde van een batterij gemarkeerd met het minteken) en de kathode (het uiteinde van de batterij gemarkeerd met het plusteken). Wanneer de batterij energie ontlaadt om een ​​auto of smartphone van stroom te voorzien, bewegen de geladen deeltjes (ionen genaamd) over de batterij naar de kathode (het +-uiteinde). De elektrolyt, vast of vloeibaar, is het pad dat de ionen nemen tussen de anode en de kathode. Zonder een elektrolyt kunnen ionen zich niet verplaatsen en energie opslaan in de anode en kathode.

In een solid-state batterij is de elektrolyt meestal een keramiek of een dicht glas. Vaste-stofbatterijen met vast elektrolyt kunnen materialen met meer energie (bijv. lithiummetaal) mogelijk maken en batterijen lichter en kleiner maken. Gewicht, volume en laadcapaciteit zijn sleutelfactoren voor transporttoepassingen zoals elektrische voertuigen. Solid-state batterijen zouden ook veiliger en minder vatbaar voor brand moeten zijn dan andere vormen.

Ingenieurs weten dat solid-state batterijen de neiging hebben om te falen bij de elektrolyt, maar de storingen leken willekeurig op te treden. Hatzell en co-onderzoekers vermoedden dat de storingen misschien niet willekeurig waren, maar feitelijk werden veroorzaakt door veranderingen in de kristallijne structuur van de elektrolyt. Om deze hypothese te onderzoeken, gebruikten de onderzoekers de synchrotron in het Argonne National Lab om krachtige röntgenstralen te produceren waarmee ze tijdens bedrijf in de batterij konden kijken. Ze combineerden röntgenbeeldvorming en hoogenergetische diffractietechnieken om de kristallijne structuur van een granaatelektrolyt te bestuderen op de angstromschaal, ongeveer de grootte van een enkel atoom. Hierdoor konden de onderzoekers veranderingen in de granaat op kristalniveau bestuderen.

Een granaatelektrolyt bestaat uit een ensemble van bouwstenen die korrels worden genoemd. In een enkele elektrolyt (1 mm diameter) zitten bijna 30.000 verschillende korrels. De onderzoekers ontdekten dat er over de 30.000 korrels twee overheersende structurele arrangementen waren. Deze twee structuren verplaatsen ionen met verschillende snelheden. Bovendien kunnen deze verschillende vormen of structuur "leiden tot spanningsgradiënten die ertoe leiden dat ionen in verschillende richtingen bewegen en ionen delen van de cel vermijden", zei Hatzell.

Ze vergeleek de beweging van geladen ionen door de batterij met water dat door een rivier stroomt en een rots tegenkomt die het water omleidt. Gebieden waar grote hoeveelheden ionen doorheen gaan, hebben meestal hogere stressniveaus.

"Als je alle ionen naar één locatie laat gaan, zal dit een snelle storing veroorzaken," zei Hatzell. "We moeten controle hebben over waar en hoe ionen in elektrolyten bewegen om batterijen te bouwen die duizenden oplaadcycli meegaan."

Hatzell zei dat het mogelijk moet zijn om de uniformiteit van granen te beheersen door middel van productietechnieken en door kleine hoeveelheden verschillende chemicaliën, doteermiddelen genaamd, toe te voegen om de kristalvormen in de elektrolyten te stabiliseren.

"We hebben veel hypothesen die niet zijn getest over hoe je deze heterogeniteiten zou kunnen vermijden," zei ze. "Het wordt zeker een uitdaging, maar niet onmogelijk."

Het artikel, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and It Implications on Grain Level Chemo-Mechanics", werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials . + Verder verkennen

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