Forskere laver solid jord mod bedre lithium-ion-batterigrænseflader

Forskning ved Sandia National Laboratories har identificeret en stor hindring for at fremme solid-state lithium-ion-batteriets ydeevne i lille elektronik:strømmen af ​​lithium-ioner på tværs af batterigrænseflader.

Sandias treårige Laboratory Directed Research and Development-projekt undersøgte kemien i nanoskalaen af ​​solid state-batterier, med fokus på det område, hvor elektroder og elektrolytter kommer i kontakt. De fleste kommercielle lithium-ion-batterier indeholder en flydende elektrolyt og to faste elektroder, men solid state-batterier har i stedet et solidt elektrolytlag, så de kan holde længere og fungere mere sikkert.

"Det underliggende mål med arbejdet er at gøre solid-state batterier mere effektive og at forbedre grænsefladerne mellem forskellige materialer, Sandia-fysiker Farid El Gabaly sagde. "I dette projekt, alle materialer er solide; vi har ikke en væske-fast grænseflade som i traditionelle lithium-ion-batterier."

Forskningen blev publiceret i en Nano bogstaver papir med titlen, "Ikke-faradaisk Li+-migrering og kemisk koordinering på tværs af solid-state-batterigrænseflader." Forfatterne inkluderer Sandia postdoc-forsker Forrest Gittleson og El Gabaly. Arbejdet blev finansieret af Laboratory Directed Research and Development-programmet, med supplerende bevillinger fra Energiministeriets Videnskabskontor.

El Gabaly forklarede, at i ethvert lithiumbatteri, lithium skal rejse frem og tilbage fra den ene elektrode til den anden, når den oplades og aflades. Imidlertid, mobiliteten af ​​lithium-ioner er ikke den samme i alle materialer, og grænseflader mellem materialer er en stor hindring.

Fremskynder krydset

El Gabaly sammenligner arbejdet med at finde ud af, hvordan man får trafikken til at bevæge sig hurtigt gennem et travlt vejkryds.

"For os, vi forsøger at reducere trafikpropperne i krydset mellem to materialer, " han sagde.

El Gabaly sammenlignede elektrode-elektrolyt-grænsefladen med en betalingsautomat eller fusionere på en motorvej.

"Vi fjerner i det væsentlige de kontante vejafgifter og siger, at alle skal gennem den hurtige vej, så du udjævner eller eliminerer opbremsningerne, " sagde han. "Når du forbedrer processen ved grænsefladen, har du den rigtige infrastruktur, så køretøjer let kan passere. Du skal stadig betale, men det er hurtigere og mere kontrolleret end folk, der søger efter mønter i handskerummet."

Der er to vigtige grænseflader i solid state-batterier, forklarede han, ved katode-elektrolyt-forbindelsen og elektrolyt-anode-forbindelsen. Enten kunne diktere ydeevnegrænserne for et fuldt batteri.

Gittleson tilføjer, "Når vi identificerer en af ​​disse flaskehalse, vi spørger, "Kan vi ændre det?" Og så forsøger vi at ændre grænsefladen og gøre de kemiske processer mere stabile over tid."

Sandias interesse i solid-state batterier

El Gabaly sagde, at Sandia er interesseret i forskningen, primært fordi solid-state batterier er lav vedligeholdelse, pålidelig og sikker. Flydende elektrolytter er typisk reaktive, flygtige og meget brandfarlige og er en førende årsag til kommerciel batterifejl. Eliminering af den flydende komponent kan få disse enheder til at yde bedre.

"Vores fokus var ikke på store batterier, som i elbiler, " sagde El Gabaly. "Det var mere for lille eller integreret elektronik."

Da Sandias laboratorium i Californien ikke foretog forskning i solid-state batterier, projektet byggede først grundlaget for at prototype batterier og undersøge grænseflader.

"Denne form for karakterisering er ikke triviel, fordi de grænseflader, som vi er interesserede i, kun er nogle få atomlag tykke, " sagde Gittleson. "Vi bruger røntgenstråler til at undersøge kemien i de nedgravede grænseflader, se gennem kun få nanometer materiale. Selvom det er udfordrende at designe eksperimenter, Vi har haft succes med at undersøge disse regioner og relatere kemien til fuld batteriydelse."

Bearbejdning af forskningen

Forskningen blev udført ved hjælp af materialer, der er blevet brugt i tidligere proof-of-concept solid-state batterier.

"Da disse materialer ikke er produceret i massiv kommerciel skala, vi skulle være i stand til at fremstille komplette enheder på stedet, " sagde El Gabaly. "Vi søgte metoder til at forbedre batterierne ved enten at indsætte eller ændre grænsefladerne på forskellige måder eller udveksle materialer."

Arbejdet brugte pulseret laseraflejring og røntgenfotoelektronspektroskopi kombineret med elektrokemiske teknikker. Dette tillod meget lille afsætning, da batterierne er tynde og integreret på en siliciumwafer.

"Ved brug af denne metode, vi kan konstruere grænsefladen ned til nanometer- eller endda subnanometerniveau, " sagde Gittleson, tilføjer, at hundredvis af prøver blev oprettet.

At bygge batterier på denne måde gjorde det muligt for forskerne at få et præcist billede af, hvordan grænsefladen ser ud, fordi materialerne kan samles så kontrollerbart.

Den næste fase af forskningen er at forbedre batteriernes ydeevne og at samle dem sammen med andre Sandia-teknologier.

"Vi kan nu begynde at kombinere vores batterier med LED'er, sensorer, små antenner eller et hvilket som helst antal integrerede enheder, " sagde El Gabaly. "Selvom vi er tilfredse med vores batteriydelse, vi kan altid forsøge at forbedre det mere."