Forskare från Tokyo Metropolitan University har visat att elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) kan vara ett kraftfullt icke-förstörande verktyg för att studera nedbrytningsmekanismerna för helsolid-state litiummetallbatterier. De studerade keramikbaserade helfasta Li-metallbatterier framställda av aerosolavsättning och uppvärmning, vilket identifierade det specifika gränssnittet som är ansvarigt för sänkningen i prestanda. Publicerad i ACS Applied Materials &Interfaces , belyser deras arbete exakt de tekniska hinder som måste övervinnas för att få ut dessa förstklassiga batterier på marknaden.

Elfordon (EV) är en avgörande del av ansträngningarna över hela världen för att minska koldioxidutsläppen. Och i hjärtat av varje elbil är dess batteri. Batteridesign förblir en viktig flaskhals när det gäller att maximera körräckvidden och förbättra fordonssäkerheten. En av de föreslagna lösningarna, heltäckande litiummetallbatterier, har potential att ge högre energitäthet, säkerhet och lägre komplexitet, men tekniska problem fortsätter att hindra deras övergång till vardagsfordon.

Ett stort problem är det stora gränsytresistansen mellan elektroder och fasta elektrolyter. I många batterikonstruktioner är både katod- och elektrolytmaterial spröd keramik; detta gör det svårt att ha bra kontakt dem emellan. Det finns också utmaningen att diagnostisera vilket gränssnitt som faktiskt orsakar problem. Att studera nedbrytning i helsolid-state litiummetallbatterier kräver i allmänhet att de skärs upp:detta gör det omöjligt att ta reda på vad som händer medan batteriet är i drift.

Ett team ledd av professor Kiyoshi Kanamura vid Tokyo Metropolitan University har utvecklat helfasta Li-metallbatterier med lägre gränssnittsresistens med en teknik som kallas aerosoldeposition. Mikroskopiska bitar av katodmaterial accelereras mot ett lager av keramiskt elektrolytmaterial där de kolliderar och bildar ett tätt lager.

För att övervinna problemet med sprickor som bildas vid kollision, täckte teamet bitarna av katodmaterial med ett "lödmaterial", det vill säga ett mjukare material med låg smältpunkt som kan värmebehandlas för att generera utmärkt kontakt mellan den nybildade katoden och elektrolyt. Deras slutliga hel-solid-state Li/Li₇ La₃ Zr₂ O₁₂ /LiCoO₂ cell levererar en hög initial urladdningskapacitet på 128 mAh g ^-1 vid både 0,2 och 60 °C och bibehåller en högkapacitetsretention på 87 % efter 30 laddnings-/urladdningscykler. Detta är ett klassens bästa resultat för helsolid-state Li-metallbatterier med keramiska oxidelektrolyter, vilket gör det desto viktigare att verkligen sätta sig in i hur de kan försämras.

Här använde teamet elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS), ett allmänt använt diagnostiskt verktyg inom elektrokemi. Genom att tolka hur cellen reagerar på elektriska signaler med olika frekvens, kan de separera resistanserna i intervallet av olika gränssnitt i deras batteri. När det gäller deras nya cell fann de att en resistansökning mellan katodmaterialet och lodet var den främsta orsaken till cellkapacitetsförsämring. Viktigt är att de uppnådde detta utan att slita isär cellen. De kunde också säkerhetskopiera detta med hjälp av in-situ elektronmikroskopi, vilket tydligt identifierade gränssnittssprickor under cykling.

Teamets innovationer har inte bara realiserat en banbrytande batteridesign utan även lyft fram nästa steg för att göra ytterligare förbättringar med hjälp av en skadefri, allmänt tillgänglig metod. Deras nya paradigm lovar spännande nya framsteg för batterier i nästa generation elbilar. + Utforska vidare

Joniska vätskor gör ett stänk i nästa generations solid-state litiummetallbatterier