Röntgen Tomografie Onthult Real-time Laad-Ontlaad Dynamica in Vaste-stof Batterijen

Lithium-ion batterijen nu wijdverspreid in gebruik voor alles van mobiele elektronica tot elektrische voertuigen vertrouwen op een vloeibaar elektrolyt om ionen heen en weer te transporteren tussen elektoden binnen de batterij tijdens laad- en ontlaadcycli. Het vloeistof bedekt de elektoden uniform, wat vrije beweging van de ionen toelaat.

Vaste-stof Batterij Technologie

Snel evoluerende vaste-stof batterijtechnologie gebruikt in plaats daarvan een vast elektrolyt, wat de energiedichtheid zou moeten verhogen en de veiligheid van toekomstige batterijen verbeteren. Maar verwijdering van lithium uit elektoden kan leegtes aan grenzen creëren die betrouwbaarheidsproblemen veroorzaken, wat beperkt hoe lang de batterijen kunnen opereren.

Röntgen Tomografie voor Interne Evolutie

Met behulp van Röntgentomografie observeerden onderzoekers de interne evolutie van de materialen binnen vaste-stof lithiumbatterijen tijdens het laden en ontladen. Gedetailleerde driedimensionale informatie uit het onderzoek kan helpen de betrouwbaarheid en prestaties van de batterijen te verbeteren, die vaste materialen gebruiken om de ontvlambare vloeibare elektrolyten in bestaande lithium-ionbatterijen te vervangen.

Operando Synchrotron X-ray Microtomografie

Operando synchrotron Röntgen computed microtomografie imaging onthulde hoe de dynamische veranderingen van elektrodematerialen bij lithium/vaste-elektrolytgrensvlakken het gedrag van vaste-stofbatterijen bepalen. De onderzoekers vonden dat batterijoperatie leegtes veroorzaakte aan de grensvlak, wat een verlies van contact creëerde dat de primaire oorzaak was van falen in de cellen.

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

Uitdagingen en Toekomstig Werk

Omdat lithium zo licht is, kan het imageren ervan met Röntgenstraling uitdagend zijn en vereiste een speciaal ontwerp van de testbatterijcellen. De gebruikte technologie is vergelijkbaar met wat gebruikt wordt voor medische computed tomography (CT) scans. Vanwege beperkingen in de testen, konden de onderzoekers de structuur van de batterijen alleen door een enkele cyclus observeren. In toekomstig werk willen ze zien wat er gebeurt over additionele cycli en of de structuur zich op een of andere manier aanpast aan de creatie en vulling van leegtes. De resultaten zouden waarschijnlijk van toepassing zijn op andere elektrolytformuleringen en de karakterisatietechniek kan gebruikt worden om informatie over andere batterijprocessen te verkrijgen.

Batterijpakketten voor elektrische voertuigen moeten ten minste 1.000 cycli weerstaan tijdens een verwachte levensduur van 150.000 mijl. Terwijl vaste-stofbatterijen met lithiummetaalelektroden meer energie voor een gegeven batterijgrootte kunnen bieden, zal dat voordeel de bestaande technologie niet overstijgen tenzij ze vergelijkbare levensduur kunnen bieden.