Hela halvledarbatterier, en batteridesign som består av alla solida komponenter, har fått uppmärksamhet som nästa stora framsteg bortom litiumjonbatterier på grund av deras potential att lagra mer energi samtidigt som de är säkrare att använda. När de kan produceras i kommersiella kvantiteter, Solid-state-batterier skulle revolutionera elfordon och effektivt öka den körbara räckvidden eller avsevärt minska volymen och vikten.

Ändå kan halvledarbatterier gå sönder efter cykling (upprepad laddning och urladdning) vid praktiska strömmar, vilket har varit ett av hindren för masskommersialisering av dem.

I en ny tidning publicerad av Naturmaterial , med titeln "Kritisk strippning av ström leder till dendritbildning vid plätering i fasta elektrolytceller av litiumanod, "Forskare från Faraday Institution vid University of Oxford har tagit ett steg framåt för att förstå de mekanismer genom vilka solid state-batterier misslyckas - en nödvändig förutsättning för att undvika sådana fel.

Dendriter är förgrenade nätverk av litium som växer genom det fasta, keramisk, elektrolyt under laddning av ett batteri, orsakar kortslutning.

"Denna forskning lägger till vår grundläggande kunskap om varför solid-state-batterier beter sig som de gör. Vi tror att vår förbättrade förståelse kommer att hjälpa till att informera om tillvägagångssätt för att undvika några av problemen med litiummetallanoden i solida elektrolytceller, " kommenterade professor Peter G. Bruce vid University of Oxfords institutioner för material och kemi och huvudutredare för Faraday Institutions SOLBAT-projekt, vars team ledde forskningen.

tomrumsskapande vid anoden av solid state-celler har länge varit känt, men deras roll i dendritbildningen har inte förståtts. Studien använder en kombination av banbrytande elektrokemiska tekniker och avbildningstekniker för att bilda en grundläggande förståelse av tomrumsbildning som en funktion av cykling och dess roll i dendriter och cellsvikt.

Betydligt nog, parametrar i felmodellen korrelerar med viktiga fysiska egenskaper som skulle kunna användas som "hävarmar" för att undertrycka tomrumsbildning och cellfel.

"Det är nyckeln att bryta ned de vetenskapliga barriärerna som förhindrar utvecklingen till marknaden av teknologier som kommer att möjliggöra vår vision om framtidens mobilitet. Studien av Oxford-forskare är ett tidigt exempel på ett vetenskapligt framsteg som Faraday Institution inrättades för att kör, sa Tony Harper, Direktör för ISCF Faraday Battery Challenge vid UK Research &Innovation.

Forskningen:betydelsen av kritisk strömtäthet vid strippning

En välkänd utmaning för forskare som studerar solid state-batterier är att förhindra dendrittillväxt när batterier växlas mellan ett laddat och oladdat tillstånd (som de upprepade gånger skulle behöva göra om de ska användas för att driva elbilar).

Ett annat betydande problem är tomrumsbildning mellan den fasta elektrolyten och litiumanoden (negativt laddad elektrod) under strippning (urladdning av ett batteri), vilket leder till en minskad kontaktyta mellan dessa två delar av battericellen.

Det är svårt att skilja litiumplätering från strippning med ett experiment med en battericell som innehåller de vanliga två elektroderna. I den här studien använde forskare treelektrodceller för att separat studera processerna för plätering och strippning av litiummetall vid gränssnittet litiummetall/keram vid battericykling. Argyrodite, Li6PS5Cl, valdes som den fasta elektrolyten. Sådana sulfider har högre ledningsförmåga än oxider och eftersträvas som den valda elektrolyten av flera företag som försöker kommersialisera solid-state-batterier. Argyrodite har fördelen att vara mindre spröd än andra starkt ledande sulfider.

Forskarna fann att om dendritbildning ska undvikas i helt fasta battericeller, det är viktigt att cykla cellerna under den kritiska strömtätheten vid vilken tomrum börjar bildas vid gränsytan mellan litiummetall och fast elektrolyt under litiumavdrivning (CCS). Detta är fallet även när strömtätheten är under tröskeln för dendritbildning vid plätering. När strömtätheten är större än CCS, tomrum samlas på cykling, kontaktytan av litium/fast elektrolyt minskar på motsvarande sätt och som ett resultat ökar den lokala strömtätheten tills den når ett värde där dendriter bildas vid plätering, leder till kortslutning och cellfel. Det kan ta flera cykler, men forskningen visar att cellfel är oundvikligt om den totala strömtätheten är större än CCS. Dessa resultat visar att det inte bara är strömtätheten för dendritbildning som är viktig för att uppnå cykling av celler i helt fast tillstånd vid praktiska strömtätheter; strippningsströmmar är också viktiga.

Forskarna drar också slutsatsen att litiummetallkrypningen är den primära mekanismen för att transportera litiummetall vid gränsytan.

Teamet som arbetade med denna upptäckt inkluderade en blandning av teoretiker och experimentalister, i den typ av multidisciplinär forskningsmiljö som Faraday Institution främjar.

Priserna för att utveckla ett kommersiellt hel-solid-state-batteri för elfordon

Små, ej uppladdningsbar, solid state-batterier växer i kommersiell användning, till exempel, i medicinska implantat som hjärtövervakning. Dock, det finns fortfarande stora utmaningar förknippade med både tillverkningen av solid state-batterier i den skala som krävs för användning i elbilar, och att säkerställa att sådana enheter fungerar säkert och till acceptabla prestandanivåer under elbilens livstid.

Nuvarande litiumjonbatterier som används i elbilar innehåller en brandfarlig organisk flytande elektrolyt, genom vilka laddningsbärande litiumjoner passerar under laddning och urladdning av batteriet. Denna vätska utgör ett inneboende (om än välskött) säkerhetsproblem. Ersättningen av den flytande elektrolyten med en fast substans skulle undanröja denna brandrisk.

Över hela världen, betydande vetenskapliga ansträngningar läggs på att utveckla nya batterikemi som skulle uppnå batteriprestanda (effekttäthet och energitäthet) som skulle ge en EV-körupplevelse i linje med förväntningarna från att köra bilar med förbränningsmotorer. Elimineringen av behovet av en flytande elektrolyt skulle vara en förutsättning för att utveckla batterier med en litiummetallanod, vilket kan låsa upp betydande prestandaförbättringar.