Røntgenbilleder giver fingerpeg om brud i solid-state batterier

Solid-state batterier - et nyt batteridesign, der bruger alle solide komponenter - har fået opmærksomhed i de seneste år på grund af deres potentiale til at holde meget mere energi og samtidig undgå sikkerhedsudfordringerne fra deres væskebaserede modparter.

Men at bygge et langtidsholdbart solid-state batteri er lettere sagt end gjort. Nu, forskere ved Georgia Institute of Technology har brugt røntgencomputertomografi (CT) til i realtid at visualisere, hvordan revner dannes nær kanterne af grænsefladerne mellem materialer i batterierne. Resultaterne kan hjælpe forskere med at finde måder at forbedre energilagringsenhederne på.

"Sid-state-batterier kunne være sikrere end lithium-ion-batterier og potentielt indeholde mere energi, som ville være ideel til elektriske køretøjer og endda elektriske fly, " sagde Matthew McDowell, en assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og School of Materials Science and Engineering. "Teknologisk, det er et meget hurtigt bevægende felt, og der er mange virksomheder, der er interesserede i dette."

I et typisk lithium-ion batteri, energi frigives under overførslen af ​​lithium-ioner mellem to elektroder - en katode og en anode - gennem en flydende elektrolyt.

Til studiet, som blev offentliggjort 4. juni i tidsskriftet ACS Energibreve og blev sponsoreret af National Science Foundation, forskerholdet byggede et solid-state batteri, hvori en solid keramisk skive var klemt mellem to stykker solid lithium. Den keramiske skive erstattede den typiske flydende elektrolyt.

"At finde ud af, hvordan man får disse solide stykker til at passe sammen og opføre sig godt over lange perioder er udfordringen, "McDowell sagde. "Vi arbejder på, hvordan man konstruerer disse grænseflader mellem disse solide stykker for at få dem til at holde så længe som muligt."

I samarbejde med Christopher Saldana, en assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech og en ekspert i røntgenbilleddannelse, forskerne placerede batteriet under et røntgenmikroskop og opladede og afladede det, leder efter fysiske ændringer, der tyder på nedbrydning. Langsomt i løbet af flere dage, et netlignende mønster af revner dannet i hele skiven.

Disse revner er problemet og opstår sammen med væksten af ​​et interfaselag mellem lithiummetallet og den faste elektrolyt. Forskerne fandt ud af, at dette brud under cykling forårsager modstand mod ionstrømmen.

"Dette er uønskede kemiske reaktioner, der opstår ved grænsefladerne, " sagde McDowell. "Folk har generelt antaget, at disse kemiske reaktioner er årsagen til nedbrydningen af ​​cellen. Men det, vi lærte ved at lave denne billeddannelse, er, at i dette særlige materiale, det er ikke de kemiske reaktioner i sig selv, der er dårlige – de påvirker ikke batteriets ydeevne. Det dårlige er, at cellen knækker, og det ødelægger cellens ydeevne."

At løse brudproblemet kunne være et af de første skridt til at frigøre potentialet for solid state-batterier, inklusive deres høje energitæthed. Den observerede forringelse vil sandsynligvis påvirke andre typer solid-state batterier, forskerne bemærkede, så resultaterne kunne føre til design af mere holdbare grænseflader.

"I normale lithium-ion-batterier, de materialer, vi bruger, definerer, hvor meget energi vi kan lagre, " sagde McDowell. "Rent lithium kan rumme det meste, men det fungerer ikke godt med flydende elektrolyt. Men hvis du kunne bruge fast lithium med en fast elektrolyt, det ville være den hellige gral af energitæthed."