Fremme i forståelsen af ​​all-solid-state batterier

All-solid-state batterier, et batteridesign bestående af alle solide komponenter, har fået opmærksomhed som det næste store fremskridt ud over lithium-ion-batterier på grund af deres potentiale til at lagre mere energi og samtidig være sikrere at betjene. Når de kan produceres i kommercielle mængder, Solid-state batterier ville revolutionere elektriske køretøjer (EV'er), der effektivt øger den kørebare rækkevidde eller reducerer volumen og vægt betydeligt.

Alligevel kan solid-state batterier svigte efter cykling (gentagen opladning og afladning) ved praktiske strømme, hvilket har været en af ​​barriererne for at forhindre deres massekommercialisering.

I et nyt papir udgivet af Naturmaterialer , med titlen "Kritisk stripning af strøm fører til dendritdannelse ved plettering i lithiumanode faste elektrolytceller, "Forskere fra Faraday Institution ved University of Oxford har taget et skridt fremad i at forstå de mekanismer, hvormed solid-state batterier svigter - en nødvendig forudsætning for at undgå sådanne fejl.

Dendritter er forgrenede netværk af lithium, som vokser gennem det faste stof, keramisk, elektrolyt under opladning af et batteri, forårsager kortslutning.

"Denne forskning tilføjer vores grundlæggende viden om, hvorfor solid-state batterier opfører sig, som de gør. Vi tror, ​​at vores forbedrede forståelse vil hjælpe med at informere om tilgange til at undgå nogle af problemerne ved lithiummetalanoden i faste elektrolytceller, " kommenterede professor Peter G. Bruce fra University of Oxfords afdelinger for materialer og kemi og hovedforsker af Faraday Institutions SOLBAT-projekt, hvis team ledede forskningen.

Tommedannelse ved anoden af ​​faststofceller har længe været anerkendt, men deres rolle i dendritdannelse er ikke blevet forstået. Undersøgelsen bruger en kombination af banebrydende elektrokemiske og billeddannelsesteknikker til at danne en grundlæggende forståelse af tomrumsdannelse som en funktion af cykling og dens rolle i dendritter og cellesvigt.

Væsentligt, parametre i fejlmodellen korrelerer med vigtige fysiske egenskaber, der kunne bruges som "håndtag" til at undertrykke tomrumsdannelse og cellesvigt.

"Det er nøglen til at nedbryde de videnskabelige barrierer, der forhindrer udviklingen til markedet af teknologier, der vil muliggøre vores vision om fremtidens mobilitet. Undersøgelsen af ​​Oxford-forskere er et tidligt eksempel på et videnskabeligt fremskridt, som Faraday-institutionen blev oprettet for at køre, " sagde Tony Harper, Direktør for ISCF Faraday Battery Challenge hos UK Research &Innovation.

Forskningen:vigtigheden af ​​kritisk strømtæthed på stripping

En velkendt udfordring for forskere, der studerer solid-state batterier, er at forhindre dendritvækst, når batterier cykler mellem en opladet og uopladet tilstand (som de gentagne gange ville skulle gøre, hvis de skulle bruges til at drive elbiler).

Et andet væsentligt problem er tomrumsdannelse mellem den faste elektrolyt og lithiumanode (negativt ladet elektrode) under stripping (afladning af et batteri), hvilket fører til et reduceret kontaktområde mellem disse to dele af battericellen.

Det er vanskeligt at adskille lithiumplettering fra stripning ved hjælp af et eksperiment med en battericelle indeholdende de sædvanlige to elektroder. I denne undersøgelse brugte forskere tre-elektrodeceller til separat at studere processerne med plettering og stripning af lithiummetal ved lithiummetal/keramisk grænseflade ved battericykling. Argyrodite, Li6PS5Cl, blev valgt som den faste elektrolyt. Sådanne sulfider har højere ledningsevne end oxider og forfølges som den foretrukne elektrolyt af flere virksomheder, der forsøger at kommercialisere solid-state batterier. Argyrodite har den fordel at være mindre skør end andre stærkt ledende sulfider.

Forskerne fandt ud af, at hvis dendritdannelse skal undgås i battericeller i fast tilstand, det er vigtigt at cykle cellerne under den kritiske strømtæthed, ved hvilken hulrum begynder at dannes ved grænsefladen lithiummetal/fastelektrolyt under lithiumstripping (CCS). Dette er tilfældet, selv når strømtætheden er under tærsklen for dendritdannelse ved plettering. Når strømtætheden er større end CCS, tomrum ophobes på cykling, kontaktarealet af lithium/fast elektrolyt falder tilsvarende, og som et resultat stiger den lokale strømtæthed, indtil den når en værdi, hvor dendritter dannes ved plettering, fører til kortslutning og cellesvigt. Det kan tage flere cyklusser, men forskningen viser, at cellesvigt er uundgåeligt, hvis den samlede strømtæthed er større end CCS. Disse resultater viser, at det ikke kun er strømtætheden for dendritdannelse, der er vigtig for at opnå cykling af celler i fast tilstand ved praktiske strømtætheder; strippestrømme er også vigtige.

Forskerne konkluderer også, at lithiummetalkrybningen er den primære mekanisme til transport af lithiummetal ved grænsefladen.

Holdet, der arbejdede på denne opdagelse, omfattede en blanding af teoretikere og eksperimentalister, i den type multidisciplinære forskningsmiljø, som Faraday-institutionen fostrer.

Præmierne for at udvikle et kommercielt solid-state batteri til elektriske køretøjer

Lille, ikke-genopladelige, solid-state batterier vokser i kommerciel brug, for eksempel, i medicinske implantater såsom hjerteovervågning. Imidlertid, der er stadig betydelige udfordringer forbundet med både fremstilling af solid-state batterier i den skala, der kræves til brug i elbiler, og for at sikre, at sådanne enheder fungerer sikkert og til acceptable ydeevneniveauer i løbet af elbilens levetid.

Nuværende lithium-ion-batterier, der bruges i elbiler, indeholder en brændbar organisk flydende elektrolyt, hvorigennem ladningsbærende lithium-ioner passerer under op- og afladning af batteriet. Denne væske udgør en iboende (omend velstyret) sikkerhedsmæssig bekymring. Udskiftning af den flydende elektrolyt med et fast stof ville fjerne denne brandrisiko.

I hele verden, en betydelig videnskabelig indsats bliver brugt på at udvikle nye batterikemier, der ville opnå batteriydelse (effekttæthed og energitæthed), som ville give en EV-køreoplevelse, der er afstemt med forventningerne fra at køre biler med forbrændingsmotorer. Elimineringen af ​​behovet for en flydende elektrolyt ville være en forudsætning for at udvikle batterier med en lithiummetalanode, som kunne låse op for betydelige præstationsforbedringer.