Solid-state-batterier-en ny batteridesign som använder alla fasta komponenter-har fått uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras potential att hålla mycket mer energi samtidigt som de undviker säkerhetsutmaningarna för sina vätskebaserade motsvarigheter.

Men att bygga ett långvarigt solid-state-batteri är lättare sagt än gjort. Nu, forskare vid Georgia Institute of Technology har använt röntgentomografi (CT) för att i realtid visualisera hur sprickor bildas nära kanterna på gränssnitten mellan material i batterierna. Resultaten kan hjälpa forskare att hitta sätt att förbättra energilagringsenheterna.

"Solid-state-batterier kan vara säkrare än litiumjonbatterier och kan ge mer energi, som skulle vara perfekt för elfordon och till och med elektriska flygplan, "sade Matthew McDowell, en biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och School of Materials Science and Engineering. "Tekniskt sett det är ett mycket snabbt rörligt fält, och det finns många företag som är intresserade av detta. "

I ett typiskt litiumjonbatteri, energi frigörs vid överföring av litiumjoner mellan två elektroder - en katod och en anod - genom en flytande elektrolyt.

För studien, som publicerades den 4 juni i tidningen ACS Energy Letters och sponsrades av National Science Foundation, forskargruppen byggde ett solid-state-batteri där en solid keramisk skiva var inklämd mellan två bitar av fast litium. Den keramiska skivan ersatte den typiska flytande elektrolyten.

"Att ta reda på hur de här fasta bitarna passar ihop och beter sig bra under lång tid är utmaningen, "McDowell sa." Vi arbetar med att konstruera dessa gränssnitt mellan dessa fasta bitar så att de håller så länge som möjligt. "

I samarbete med Christopher Saldana, en biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech och en expert på röntgenbildning, forskarna placerade batteriet under ett röntgenmikroskop och laddade och laddade ur det, letar efter fysiska förändringar som tyder på nedbrytning. Sakta under flera dagar, ett banliknande mönster av sprickor bildade genom hela skivan.

Dessa sprickor är problemet och uppstår vid sidan av tillväxten av ett interfasskikt mellan litiummetall och fast elektrolyt. Forskarna fann att denna fraktur under cykling orsakar motstånd mot flödet av joner.

"Det här är oönskade kemiska reaktioner som uppstår vid gränssnitten, "McDowell sa." Folk har i allmänhet antagit att dessa kemiska reaktioner är orsaken till nedbrytning av cellen. Men det vi lärde oss genom att göra denna avbildning är att i just detta material, Det är inte själva de kemiska reaktionerna som är dåliga - de påverkar inte batteriets prestanda. Det som är dåligt är att cellen bryts, och det förstör cellens prestanda. "

Att lösa sprickproblemet kan vara ett av de första stegen för att frigöra potentialen för solid state -batterier, inklusive deras höga energitäthet. Den observerade försämringen kommer sannolikt att påverka andra typer av halvledarbatterier, forskarna noterade, så fynden kan leda till utformningen av mer hållbara gränssnitt.

"I vanliga litiumjonbatterier, materialet vi använder definierar hur mycket energi vi kan lagra, "Sa McDowell." Ren litium rymmer mest, men det fungerar inte bra med flytande elektrolyt. Men om du kunde använda fast litium med en fast elektrolyt, det skulle vara energitäthetens heliga gral. "