NIMS har för första gången lyckats visualisera sekventiella förändringar i elektrisk potentialfördelning över en kompositelektrod under laddnings-/urladdningsreaktioner i hel-solid-state litiumjonbatterier. Denna fördelning var tidigare mätbar endast före och efter uppkomsten av laddnings-/urladdningsreaktioner. Mikroskopisk förståelse av laddnings-/urladdningsreaktionsmekanismer i elektroder kan underlätta utformningen av nya enheter som kan förbättra prestandan hos hel-solid-state litiumjonbatterier.

Det helsolid-state litiumjonbatteriet är en lovande nästa generations batterikandidat på grund av dess utmärkta säkerhet och cykliska egenskaper. Dess prestanda måste förbättras ytterligare innan den kan användas i praktiken. Orsakerna till prestandaförsämring måste identifieras genom noggrann analys av elektrokemiska reaktioner som inträffar i elektroder under laddning och urladdning. Under 2016 utvecklade detta forskarteam en teknik som möjliggör observation på plats av elektriska potentialförändringar i elektroder med hög rumslig upplösning. Dock, ett stort intresse fanns för utvecklingen av nya tekniker som skulle möjliggöra mer detaljerade analyser:sekventiell (dynamisk) mätning av förändringar i elektrisk potentialfördelning över en elektrod under laddning/urladdning.

Detta forskarlag utvecklade nyligen en ny teknik som kan visualisera sekventiella (dynamiska) förändringar i elektrisk potentialfördelning i batterier genom att kombinera ett elektrokemiskt mätsystem med tidigare utvecklade tekniker (in-situ Kelvin-sondkraftsmikroskopi och en teknik som används för att förbereda tvärsnittsbatterier prover). Teamet använde sedan denna nya kombinerade teknik för att observera laddnings-/urladdningsreaktioner i aktion inom kompositkatoder i hel-solid-state litiumjonbatterier (experimentella prover från Taiyo Yuden Co., Ltd.). Som ett resultat, teamet fann att laddningsreaktioner sträcker sig ojämnt över den sammansatta katoden från strömkollektorsidan till anodsidan, medan urladdningsreaktioner sprids jämnt över katoden. Dessa resultat indikerar bildandet av ett otillräckligt elektroniskt ledande bannätverk i den sammansatta katoden under en laddningsprocess.

Tekniken som utvecklats i denna forskning är tillämpbar på en mängd olika batteriutvärderingar, inklusive djupgående analys av orsakerna till försämrad batteriprestanda, som har varit svåra att fastställa med konventionella elektrokemiska mätningar. Denna teknik kan hjälpa batteriutvecklare att optimera batteristrukturer och designa batterier med högre prestanda.