Med hjälp av röntgentomografi, ett forskarlag har observerat den interna utvecklingen av materialen inuti solid-state litiumbatterier när de laddades och laddades ur. Detaljerad tredimensionell information från forskningen kan bidra till att förbättra batteriernas tillförlitlighet och prestanda, som använder fasta material för att ersätta de brandfarliga flytande elektrolyterna i befintliga litiumjonbatterier.

Operando synkrotron röntgendatormikrotomografi avslöjade hur de dynamiska förändringarna av elektrodmaterial vid litium/solid-elektrolytgränssnitt bestämmer beteendet hos solid-state-batterier. Forskarna fann att batteridrift orsakade tomrum vid gränssnittet, vilket skapade en förlust av kontakt som var den primära orsaken till fel i cellerna.

"Detta arbete ger grundläggande förståelse för vad som händer inuti batteriet, och att information bör vara viktig för att vägleda ingenjörsinsatser som kommer att föra dessa batterier närmare den kommersiella verkligheten under de kommande åren, sa Matthew McDowell, en biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Vi kunde förstå exakt hur och var tomrum bildas vid gränssnittet, och relatera det sedan till batteriprestanda."

Forskningen, med stöd av National Science Foundation, ett Sloan Research Fellowship, och Air Force Office of Scientific Research, kommer att redovisas 28 januari i journalen Naturmaterial .

De litiumjonbatterier som nu används i stor utsträckning för allt från mobilelektronik till elektriska fordon är beroende av en flytande elektrolyt för att transportera joner fram och tillbaka mellan elektroderna i batteriet under laddnings- och urladdningscykler. Vätskan täcker elektroderna jämnt, tillåter fri rörlighet för jonerna.

Snabbt utvecklande solid state-batteriteknologi använder istället en fast elektrolyt, vilket bör bidra till att öka energitätheten och förbättra säkerheten för framtida batterier. Men borttagning av litium från elektroder kan skapa tomrum vid gränssnitt som orsakar tillförlitlighetsproblem som begränsar hur länge batterierna kan fungera.

"För att motverka detta, du skulle kunna tänka dig att skapa strukturerade gränssnitt genom olika deponeringsprocesser för att försöka behålla kontakten genom cykelprocessen, ", sa McDowell. "Noggrann kontroll och konstruktion av dessa gränssnittsstrukturer kommer att vara mycket viktigt för framtida solid-state batteriutveckling, och det vi lärde oss här kan hjälpa oss att designa gränssnitt."

Georgia Tech forskarteam, ledd av första författaren och doktorand Jack Lewis, byggde speciella testceller cirka två millimeter breda som designades för att studeras vid Advanced Photon Source, en synkrotronanläggning vid Argonne National Laboratory, en US Department of Energy Office of Science-anläggning nära Chicago. Fyra medlemmar i teamet studerade förändringarna i batteristrukturen under en femdagarsperiod av intensiva experiment.

"Instrumentet tar bilder från olika håll, och du rekonstruerar dem med hjälp av datoralgoritmer för att ge 3D-bilder av batterierna över tid, "McDowell sa. "Vi gjorde den här bilden medan vi laddade och laddade ur batterierna för att visualisera hur saker och ting förändrades inuti batterierna när de fungerade."

Eftersom litium är så lätt, att avbilda den med röntgenstrålar kan vara utmanande och krävde en speciell design av testbattericellerna. Tekniken som används vid Argonne liknar den som används för medicinsk datortomografi (CT). "Istället för att avbilda människor, vi avbildade batterier, " han sa.

På grund av begränsningar i testningen, forskarna kunde bara observera batteriernas struktur genom en enda cykel. I framtida arbete, McDowell skulle vilja se vad som händer under ytterligare cykler, och om strukturen på något sätt anpassar sig till skapandet och fyllningen av tomrum. Forskarna tror att resultaten sannolikt skulle gälla andra elektrolytformuleringar, och att karaktäriseringstekniken skulle kunna användas för att få information om andra batteriprocesser.

Batteripaket för elfordon måste klara minst tusen cykler under beräknade 150, 000 mils livstid. Medan solid state-batterier med litiummetallelektroder kan erbjuda mer energi för en given storlek batteri, den fördelen kommer inte att övervinna befintlig teknik om de inte kan ge jämförbara livslängder.

"Vi är mycket glada över de tekniska utsikterna för solid state-batterier, ", sa McDowell. "Det finns ett betydande kommersiellt och vetenskapligt intresse för detta område, och information från denna studie bör hjälpa till att utveckla denna teknik mot breda kommersiella tillämpningar."