En skadefri måde at måle sundheden for næste generations batterier til elektriske køretøjer

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har påvist, at elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) kan være et kraftfuldt ikke-destruktivt værktøj til at studere nedbrydningsmekanismerne for lithiummetalbatterier i fast tilstand. De undersøgte keramisk-baserede hel-solid-state Li-metalbatterier fremstillet ved aerosolaflejring og opvarmning, og identificerede den specifikke grænseflade, der er ansvarlig for faldet i ydeevne. Udgivet i ACS Applied Materials &Interfaces , fremhæver deres arbejde præcist de tekniske forhindringer, der skal overvindes for at bringe disse top-in-class batterier til markedet.

Elektriske køretøjer (EV'er) er en afgørende del af verdens bestræbelser på at reducere CO2-emissionerne. Og i hjertet af enhver EV er dens batteri. Batteridesign forbliver en vigtig flaskehals, når det kommer til at maksimere køreafstanden og forbedre køretøjets sikkerhed. En af de foreslåede løsninger, hel-solid-state lithiummetalbatterier, har potentialet til at give højere energitæthed, sikkerhed og lavere kompleksitet, men tekniske problemer hæmmer fortsat deres overgang til hverdagskøretøjer.

Et stort problem er den store grænseflademodstand mellem elektroder og faste elektrolytter. I mange batteridesigns er både katode- og elektrolytmaterialer sprøde keramik; det gør det svært at have god kontakt mellem dem. Der er også udfordringen med at diagnosticere, hvilken grænseflade der faktisk forårsager problemer. At studere nedbrydning i hel-solid-state lithiummetalbatterier kræver generelt, at de skæres op:Dette gør det umuligt at finde ud af, hvad der sker, mens batteriet er i drift.

Et hold ledet af professor Kiyoshi Kanamura ved Tokyo Metropolitan University har udviklet helfaste Li-metalbatterier med lavere grænseflademodstand ved hjælp af en teknik kaldet aerosolaflejring. Mikroskopiske bidder af katodemateriale accelereres mod et lag af keramisk elektrolytmateriale, hvor de støder sammen og danner et tæt lag.

For at overvinde problemet med revner, der dannes ved kollision, coated holdet bidderne af katodemateriale med et "loddemateriale", det vil sige et blødere materiale med lavt smeltepunkt, som kan varmebehandles for at skabe fremragende kontakt mellem den nydannede katode og elektrolyt. Deres endelige hel-solid-state Li/Li₇ La₃ Zr₂ O₁₂ /LiCoO₂ celle leverer en høj initial afladningskapacitet på 128 mAh g ^-1 ved både 0,2 og 60 °C og opretholder en højkapacitetsretention på 87 % efter 30 opladnings-/afladningscyklusser. Dette er et klassens bedste resultat for hel-solid-state Li-metalbatterier med keramiske oxidelektrolytter, hvilket gør det endnu vigtigere at virkelig få styr på, hvordan de kan nedbrydes.

Her brugte holdet elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS), et meget brugt diagnostisk værktøj inden for elektrokemi. Ved at fortolke, hvordan cellen reagerer på elektriske signaler med forskellig frekvens, kunne de adskille modstandene i rækken af ​​forskellige grænseflader i deres batteri. I tilfældet med deres nye celle fandt de ud af, at en modstandsforøgelse mellem katodematerialet og loddemetal var hovedårsagen til cellekapacitetsfald. Det er vigtigt, at de opnåede dette uden at rive cellen fra hinanden. De var også i stand til at bakke dette op ved hjælp af in-situ elektronmikroskopi, der tydeligt identificerede grænsefladerevner under cykling.

Holdets innovationer har ikke kun realiseret et banebrydende batteridesign, men fremhævet de næste trin til at foretage yderligere forbedringer ved hjælp af en skadefri, bredt tilgængelig metode. Deres nye paradigme lover spændende nye fremskridt for batterier i den næste generation af elbiler. + Udforsk yderligere

Ioniske væsker laver et sprøjt i næste generations solid-state lithiummetalbatterier