Røntgen tomografi lader forskere se solid-state batterier oplade, udledning

Ved hjælp af røntgen tomografi, et forskerhold har observeret den interne udvikling af materialerne inde i solid-state lithium-batterier, da de blev opladet og afladet. Detaljerede tredimensionelle oplysninger fra forskningen kan hjælpe med at forbedre batteriers pålidelighed og ydeevne, som bruger faste materialer til at erstatte de brandfarlige flydende elektrolytter i eksisterende lithium-ion-batterier.

Operandosynkrotron-røntgencomputeret mikrotomografisk billeddannelse afslørede, hvordan de dynamiske ændringer af elektrodematerialer ved lithium/fast-elektrolytgrænseflader bestemmer solid-state-batteriers adfærd. Forskerne fandt ud af, at batteridrift fik hulrum til at dannes ved grænsefladen, hvilket skabte et tab af kontakt, der var den primære årsag til svigt i cellerne.

"Dette arbejde giver en grundlæggende forståelse af, hvad der sker inde i batteriet, og denne information bør være vigtig for at lede ingeniørindsatsen, der vil skubbe disse batterier tættere på den kommercielle virkelighed i de næste mange år, "sagde Matthew McDowell, en adjunkt ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Vi var i stand til at forstå præcis, hvordan og hvor hulrum dannes i grænsefladen, og relater det derefter til batteriets ydeevne. "

Forskningen, støttet af National Science Foundation, et Sloan Research Fellowship, og Air Force Office of Scientific Research, vil blive rapporteret 28. januar i journalen Naturmaterialer .

Lithium-ion-batterierne er nu udbredt til alt fra mobilelektronik til elektriske køretøjer og er afhængige af en flydende elektrolyt til at transportere ioner frem og tilbage mellem elektroderne i batteriet under opladnings- og afladningscyklusser. Væsken dækker ensartet elektroderne, tillader fri bevægelighed for ionerne.

Hurtigt udviklende solid state-batteriteknologi bruger i stedet en solid elektrolyt, hvilket skal bidrage til at øge energitætheden og forbedre sikkerheden ved fremtidige batterier. Men fjernelse af lithium fra elektroder kan skabe hulrum ved grænseflader, der forårsager pålidelighedsproblemer, der begrænser, hvor længe batterierne kan fungere.

"For at imødegå dette, du kunne forestille dig at skabe strukturerede grænseflader gennem forskellige deponeringsprocesser for at forsøge at opretholde kontakt gennem cykelprocessen, "McDowell sagde." Omhyggelig kontrol og konstruktion af disse interfacestrukturer vil være meget vigtig for fremtidig solid-state batteriudvikling, og det, vi lærte her, kunne hjælpe os med at designe grænseflader. "

Georgia Tech -forskerholdet, ledet af første forfatter og kandidatstuderende Jack Lewis, bygget specielle testceller omkring to millimeter brede, som var designet til at blive undersøgt ved Advanced Photon Source, en synkrotronfacilitet på Argonne National Laboratory, et amerikansk Department of Energy Office of Science -anlæg i nærheden af ​​Chicago. Fire medlemmer af teamet undersøgte ændringerne i batteristrukturen i løbet af en fem-dages periode med intensive eksperimenter.

"Instrumentet tager billeder fra forskellige retninger, og du rekonstruerer dem ved hjælp af computeralgoritmer til at levere 3D-billeder af batterierne over tid, "McDowell sagde." Vi lavede denne billeddannelse, mens vi oplader og aflader batterierne for at visualisere, hvordan tingene ændrede sig inde i batterierne, da de fungerede. "

Fordi lithium er så let, billeddannelse med røntgenstråler kan være udfordrende og kræve et specielt design af testbatteriets celler. Den teknologi, der bruges på Argonne, ligner den, der bruges til medicinsk computertomografi (CT) scanninger. "I stedet for at forestille sig mennesker, vi billeddannede batterier, " han sagde.

På grund af begrænsninger i testen, forskerne var kun i stand til at observere batteriets struktur gennem en enkelt cyklus. I det fremtidige arbejde, McDowell vil gerne se, hvad der sker over yderligere cyklusser, og om strukturen på en eller anden måde tilpasser sig skabelsen og fyldningen af ​​hulrum. Forskerne mener, at resultaterne sandsynligvis ville gælde for andre elektrolytformuleringer, og at karakteriseringsteknikken kunne bruges til at indhente oplysninger om andre batteriprocesser.

Batteripakker til elektriske køretøjer skal modstå mindst tusind cyklusser i løbet af en forventet 150, 000 mils levetid. Mens solid-state batterier med lithiummetalelektroder kan tilbyde mere energi til en given størrelse batteri, den fordel overvinder ikke eksisterende teknologi, medmindre de kan levere sammenlignelige levetider.

"Vi er meget begejstrede for de teknologiske udsigter for solid-state batterier, "McDowell sagde." Der er betydelig kommerciel og videnskabelig interesse på dette område, og oplysninger fra denne undersøgelse skal hjælpe med at fremme denne teknologi mod brede kommercielle applikationer. "