Kapplöpningen att producera säker, kraftfulla och prisvärda solid-state litiumbatterier accelererar och de senaste tillkännagivandena om spelförändrande forskning som använder en fast icke brännbar keramisk elektrolyt känd som granat har några i loppet kallar det revolutionerande.

"Detta är ett paradigmskifte inom energilagring, " sa Kelsey Hatzell, biträdande professor i maskinteknik. En artikel – "The Effect of Pore Connectivity on Li Dendrite Propagation Within LLZO Electrolytes Observed with Synchrotron X-ray Tomography" – som beskrev hennes nya forskning om felpunkterna hos en granatelektrolyt publicerades online i mars i American Chemical Society's Energibokstäver , som var bland de mest lästa ACS Letters-artiklarna den månaden.

Litiumjonbatterier innehåller vanligtvis en flytande organisk elektrolyt som kan fatta eld. Brandrisken elimineras genom att använda en icke brandfarlig granatbaserad elektrolyt. Att ersätta flytande elektrolyter med en fast organisk granat kan också sänka kostnaden genom att öka batteritiden.

"Solid state-batterier är önskvärda för helt elektriska fordon och andra applikationer där energilagring och säkerhet är av största vikt, " sa Hatzell.

Hatzells team testade Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ – Litiumlantan Zirkoniumoxid eller LLZO – ett material av granattyp som visar mycket lovande för helsolid-state batteriapplikationer på grund av sin höga Li-jonkonduktivitet och dess kompatibilitet med Li-metall.

"Att förstå felmekanismerna inom dessa elektrolytsystem är avgörande för att designa fjädrande solida elektrolytsystem, ", sa Hatzell. "Den primära begränsningen för LLZO är benägenheten för kortslutningshändelser vid låga strömtätheter."

Hatzells studie spårar strukturella förändringar i LLZO efter realistiska laddnings- och urladdningshändelser med hjälp av synkrotronröntgentomografi. Denna teknik gör det möjligt för forskarna att titta inuti batteriet och se 3D-strukturella funktioner med sub-mikronupplösningar.

"De flesta tekniker som avbildar litium i en fast elektrolyt görs destruktivt eller ex situ med hjälp av svepelektron- eller optiska mikroskopitekniker. Att testa materialet under mer realistiska förhållanden med hjälp av synkrotronverktyg gör att vi kan undersöka nedgrävda gränssnitt, sade Hatzell, vars medförfattare är Fengyu Shen, en postdoktor, och doktorander Xianghui Xiao och Marm Dixit.

"Det finns bara en handfull synkrotroner och neutronkällor som finns i världen. Marm var en av 60 doktorander som valts ut för 2017 National School on Neutron and X-ray Scattering. "Som en del av detta program tillbringade han en vecka på Oak Ridge National Lab och en vecka på Argonne National Lab, " sa Hatzell.

Argonnes avancerade fotonkälla och ORNL:s spallationsneutronkälla och högflödesisotopreaktor tillåter nanoskalastudier av avancerade material och interaktioner. Dixit kunde arbeta och lära sig synkrotronkarakteriseringstekniker från ledande vetenskapsmän och experter. Hatzells team genomförde alla sina tester i Argonne.

"Dessa resultat kan potentiellt informera materialdesign för nästa generation av alla solid-state batterisystem. Resultaten drog slutsatsen att närvaron av tomrum eller anslutna porer ledde till en högre felfrekvens, " sa Hatzell.

"Även om det fortfarande finns mycket forskning att göra för att få ut solid state-enheter på marknaden, deras löfte om tillämpningar i högenergidensitetsbatterier och elfordonstillämpningar väcker stort intresse över hela världen."