At rette en skjult fejl kunne låse op for bedre batterier til elektriske køretøjer

Solid-state-batterier kan spille en nøglerolle i elektriske køretøjer og lover hurtigere opladning, større rækkevidde og længere levetid end konventionelle lithium-ion-batterier. Men de nuværende fremstillings- og materialebehandlingsteknikker efterlader solid-state-batterier tilbøjelige til at fejle. Nu har forskere afsløret en skjult fejl bag fejlene. Det næste trin er at designe materialer og teknikker, der tager højde for disse fejl og producere næste generations batterier.

I et solid state-batteri bevæger ladede partikler kaldet ioner sig gennem batteriet i et fast materiale, i modsætning til traditionelle lithium-ion-batterier, hvor ioner bevæger sig i en væske. Solid state-celler giver fordele, men lokale variationer eller små fejl i det faste materiale kan ifølge de nye resultater få batteriet til at blive slidt eller kortsluttet.

"Et ensartet materiale er vigtigt," sagde lederforsker Kelsey Hatzell, assisterende professor i maskin- og rumfartsteknik og Andlinger Center for Energi og Miljø. "Du vil have ioner, der bevæger sig med samme hastighed på hvert punkt i rummet."

I en artikel publiceret 1. september i tidsskriftet Nature Materials , Hatzell og medforfattere forklarede, hvordan de brugte højteknologiske værktøjer på Argonne National Laboratory til at undersøge og spore ændringer i nanoskala materialer i et batteri, mens de rent faktisk opladede og afladede batteriet. Forskerholdet, der repræsenterer Princeton Engineering, Vanderbilt og Argonne og Oak Ridge National Labs, undersøgte kornene, der består af krystaller i batteriets faste elektrolyt, kernedelen af ​​batteriet, hvorigennem elektrisk ladning bevæger sig. Forskerne konkluderede, at uregelmæssigheder mellem korn kan fremskynde batterisvigt ved at flytte ioner hurtigere til en region i batteriet over en anden. Justering af materialebehandling og fremstillingsmetoder kan hjælpe med at løse batteriernes pålidelighedsproblemer.

Batterier lagrer elektrisk energi i materialer, der udgør dets elektroder:anoden (enden af ​​et batteri markeret med minustegnet) og katoden (enden af ​​batteriet markeret med plustegnet). Når batteriet aflader energi til at drive en bil eller en smartphone, bevæger de ladede partikler (kaldet ioner) sig over batteriet til katoden (+-enden). Elektrolytten, fast eller flydende, er den vej ionerne tager mellem anoden og katoden. Uden en elektrolyt kan ioner ikke bevæge sig og lagre energi i anoden og katoden.

I et solid-state batteri er elektrolytten typisk enten et keramik eller et tæt glas. Solid state-batterier med fast elektrolyt kan muliggøre mere energitætte materialer (f.eks. lithiummetal) og gøre batterierne lettere og mindre. Vægt, volumen og ladekapacitet er nøglefaktorer for transportapplikationer såsom elektriske køretøjer. Solid-state batterier bør også være sikrere og mindre modtagelige for brande end andre former.

Ingeniører har vidst, at solid-state batterier er tilbøjelige til at svigte ved elektrolytten, men fejlene så ud til at opstå tilfældigt. Hatzell og co-forskere havde mistanke om, at fejlene måske ikke var tilfældige, men faktisk forårsaget af ændringer i elektrolyttens krystallinske struktur. For at udforske denne hypotese brugte forskerne synkrotronen på Argonne National Lab til at producere kraftige røntgenstråler, der gjorde det muligt for dem at se ind i batteriet under drift. De kombinerede røntgenbilleddannelse og højenergidiffraktionsteknikker for at studere den krystallinske struktur af en granatelektrolyt på ångstrøm-skalaen, omtrent på størrelse med et enkelt atom. Dette gjorde det muligt for forskerne at studere ændringer i granatet på krystalniveau.

En granatelektrolyt består af et ensemble af byggesten kendt som korn. I en enkelt elektrolyt (1 mm diameter) er der næsten 30.000 forskellige korn. Forskerne fandt ud af, at på tværs af de 30.000 korn var der to overvejende strukturelle arrangementer. Disse to strukturer flytter ioner med varierende hastigheder. Derudover kan disse forskellige former eller struktur "føre til stressgradienter, der fører til ioner, der bevæger sig i forskellige retninger, og ioner undgår dele af cellen," sagde Hatzell.

Hun sammenlignede bevægelsen af ​​ladede ioner gennem batteriet med vand, der bevæger sig ned ad en flod og støder på en sten, der omdirigerer vandet. Områder, der har store mængder af ioner, der bevæger sig igennem, har en tendens til at have højere stressniveauer.

"Hvis du har alle ionerne på vej til ét sted, vil det forårsage hurtig fejl," sagde Hatzell. "Vi skal have kontrol over, hvor og hvordan ioner bevæger sig i elektrolytter, for at kunne bygge batterier, der holder i tusindvis af opladningscyklusser."

Hatzell sagde, at det burde være muligt at kontrollere ensartetheden af ​​korn gennem fremstillingsteknikker og ved at tilføje små mængder af forskellige kemikalier kaldet dopanter for at stabilisere krystalformerne i elektrolytterne.

"Vi har en masse hypoteser, der er utestede om, hvordan du ville undgå disse heterogeniteter," sagde hun. "Det bliver bestemt udfordrende, men ikke umuligt."

Artiklen, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and Its Implications on Grain Level Chemo-Mechanics," blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Materials . + Udforsk yderligere

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