Sikre solid-state lithium-batterier varsler et paradigmeskifte inden for energilagring

Kapløbet om at producere sikker, kraftfulde og overkommelige solid-state lithium-batterier accelererer, og de seneste meddelelser om spilskiftende forskning ved hjælp af en solid ikke-brændbar keramisk elektrolyt kendt som granat har nogle i kapløbet kaldet det revolutionerende.

"Dette er et paradigmeskifte inden for energilagring, " sagde Kelsey Hatzell, adjunkt i maskinteknik. Et papir - "The Effect of Pore Connectivity on Li Dendrite Propagation Within LLZO Electrolytes Observed with Synchrotron X-ray Tomography" - der beskriver hendes nye forskning om fejlpunkterne i en granatelektrolyt, blev offentliggjort online i marts i American Chemical Society's Energibreve , som var blandt de mest læste ACS Letters-artikler den måned.

Lithium-ion-batterier indeholder typisk en flydende organisk elektrolyt, der kan gå i brand. Brandrisikoen elimineres ved brug af en ikke-brandfarlig granatbaseret elektrolyt. Udskiftning af flydende elektrolytter med en fast organisk granat, sænker også potentielt omkostningerne ved at forlænge batteriets levetid.

"Sid-state batterier er ønskelige til helt elektriske køretøjer og andre applikationer, hvor energilagring og sikkerhed er altafgørende, "Sagde Hatzell.

Hatzells team testede Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ – Lithium lanthan Zirconium Oxide eller LLZO – et granat-type materiale, der viser meget lovende for all-solid-state batteriapplikationer på grund af dets høje Li-ion ledningsevne og dets kompatibilitet med Li metal.

"Forståelse af fejlmekanismerne i disse elektrolytsystemer er afgørende for at designe elastiske faste elektrolytsystemer, "sagde Hatzell." Den primære begrænsning af LLZO er tilbøjeligheden til kortslutningshændelser ved lave strømtætheder. "

Hatzells undersøgelse sporer strukturelle ændringer i LLZO efter realistiske opladnings- og afladningshændelser ved hjælp af synkrotron røntgentomografi. Denne teknik gør det muligt for forskerne at se inde i batteriet og se 3D strukturelle funktioner med sub-mikron opløsninger.

"De fleste teknikker, der afbilder lithium i en fast elektrolyt, udføres destruktivt eller ex situ ved hjælp af scanningselektron- eller optiske mikroskopiteknikker. Test af materialet under mere realistiske forhold ved hjælp af synkrotronværktøjer giver os mulighed for at sondere begravede grænseflader, " sagde Hatzell, hvis medforfattere er Fengyu Shen, en postdoc, og kandidatstuderende Xianghui Xiao og Marm Dixit.

"Der er kun en håndfuld synkrotroner og neutronkilder, der findes i verden. Marm var en af ​​60 kandidatstuderende udvalgt til 2017 National School on Neutron and X-ray Scattering. "Som en del af dette program tilbragte han en uge kl. Oak Ridge National Lab og en uge på Argonne National lab, " sagde Hatzell.

Argonnes avancerede fotonkilde og ORNLs spallationsneutronkilde og højfluxisotopreaktor tillader undersøgelse af avancerede materialer og interaktioner på nanoskala. Dixit var i stand til at arbejde og lære synkrotronkarakteriseringsteknikker fra førende videnskabsmænd og eksperter. Hatzells team udførte alle sine tests i Argonne.

"Disse resultater kan potentielt informere materialedesign til den næste generation af alle solid-state batterisystemer. Resultaterne konkluderede, at tilstedeværelsen af ​​hulrum eller tilsluttede porer førte til en højere fejlfrekvens, " sagde Hatzell.

"Selvom der stadig er meget forskning, der skal gøres for at bringe solid state-enheder til markedet, deres løfte om applikationer i højenergidensitetsbatterier og applikationer til elektriske køretøjer vækker stor interesse over hele kloden."