Met röntgentomografie kunnen onderzoekers solid-state batterijen zien opladen en ontladen

Lithium-ionbatterijen die nu wijdverbreid worden gebruikt voor alles, van mobiele elektronica tot elektrische voertuigen, vertrouwen op een vloeibare elektrolyt om ionen heen en weer te transporteren tussen elektroden in de batterij tijdens laad- en ontlaadcycli. De vloeistof bedekt de elektroden gelijkmatig, waardoor de ionen vrij kunnen bewegen.

De snel evoluerende solid-state batterijtechnologie gebruikt in plaats daarvan een vaste elektrolyt, wat zou moeten helpen de energiedichtheid te verhogen en de veiligheid van toekomstige batterijen te verbeteren. Maar het verwijderen van lithium van elektroden kan holtes creëren op interfaces die betrouwbaarheidsproblemen veroorzaken, waardoor de levensduur van de batterijen wordt beperkt.

Met behulp van röntgentomografie observeerden onderzoekers de interne evolutie van de materialen in solid-state lithiumbatterijen terwijl ze werden opgeladen en ontladen. Gedetailleerde driedimensionale informatie uit het onderzoek zou kunnen helpen bij het verbeteren van de betrouwbaarheid en prestaties van de batterijen, die vaste materialen gebruiken om de ontvlambare vloeibare elektrolyten in bestaande lithium-ionbatterijen te vervangen.

Operando synchrotron X-ray computergestuurde microtomografie-beeldvorming onthulde hoe de dynamische veranderingen van elektrodematerialen op lithium/vast-elektrolyt-interfaces het gedrag van solid-state batterijen bepalen. De onderzoekers ontdekten dat de werking van de batterij ervoor zorgde dat er holtes ontstonden op de interface, waardoor contact verloren ging, wat de primaire oorzaak was van het falen in de cellen.

Het team bouwde speciale testcellen van ongeveer twee millimeter breed en bestudeerde de veranderingen in de batterijstructuur gedurende een periode van vijf dagen. Het testinstrument nam beelden uit verschillende richtingen; de afbeeldingen zijn gereconstrueerd met behulp van computeralgoritmen om in de loop van de tijd 3D-beelden van de batterijen te leveren.

Omdat lithium zo licht is, kan het een uitdaging zijn om het met röntgenstralen af ​​te beelden en vereist een speciaal ontwerp van de testbatterijcellen. De gebruikte technologie is vergelijkbaar met wat wordt gebruikt voor medische computertomografie (CT) -scans. Vanwege beperkingen bij het testen konden de onderzoekers de structuur van de batterijen slechts gedurende een enkele cyclus observeren. In toekomstig werk willen ze zien wat er gebeurt over een extra cyclus en of de structuur zich op de een of andere manier aanpast aan het creëren en opvullen van holtes. De resultaten zijn waarschijnlijk van toepassing op andere elektrolytformuleringen en de karakteriseringstechniek zou kunnen worden gebruikt om informatie te verkrijgen over andere batterijprocessen.

Accupacks voor elektrische voertuigen moeten minimaal 1000 cycli doorstaan ​​gedurende een verwachte levensduur van 150.000 mijl. Hoewel solid-state batterijen met lithium-metaalelektroden meer energie kunnen bieden voor een batterij van een bepaald formaat, zal dat voordeel de bestaande technologie niet overwinnen, tenzij ze een vergelijkbare levensduur kunnen bieden.