Solid-state-batterier erbjuder fördelar för elfordon jämfört med traditionella litiumjonversioner, som visas ovan. Kredit:Bumper DeJesus/Princeton University
Solid-state-batterier kan spela en nyckelroll i elfordon och lovar snabbare laddning, större räckvidd och längre livslängd än konventionella litiumjonbatterier. Men nuvarande tillverknings- och materialbearbetningstekniker gör att solid-state-batterier är benägna att misslyckas. Nu har forskare avslöjat en dold brist bakom misslyckandena. Nästa steg är att designa material och tekniker som står för dessa brister och producera nästa generations batterier.
I ett solid state-batteri rör sig laddade partiklar som kallas joner genom batteriet i ett fast material, i motsats till traditionella litiumjonbatterier, där joner rör sig i en vätska. Solid state-celler erbjuder fördelar, men lokala variationer eller små brister i det fasta materialet kan göra att batteriet slits ut eller kortsluts, enligt de nya rönen.
"Ett enhetligt material är viktigt", säger ledande forskare Kelsey Hatzell, biträdande professor i maskin- och rymdteknik och Andlinger Center for Energy and the Environment. "Du vill att joner rör sig med samma hastighet vid varje punkt i rymden."
I en artikel publicerad 1 september i tidskriften Nature Materials , Hatzell och medförfattare förklarade hur de använde högteknologiska verktyg vid Argonne National Laboratory för att undersöka och spåra materialförändringar i nanoskala inom ett batteri samtidigt som de faktiskt laddar och laddar ur batteriet. Forskargruppen, som representerar Princeton Engineering, Vanderbilt och Argonne och Oak Ridge National Labs, undersökte kornen som består av kristaller i batteriets fasta elektrolyt, kärndelen av batteriet genom vilken elektrisk laddning rör sig. Forskarna drog slutsatsen att oregelbundenheter mellan korn kan påskynda batterifel genom att flytta joner snabbare till en region i batteriet över en annan. Att justera materialbearbetning och tillverkningsmetoder kan hjälpa till att lösa batteriernas tillförlitlighetsproblem.
Batterier lagrar elektrisk energi i material som utgör dess elektroder:anoden (änden av ett batteri märkt med minustecknet) och katoden (änden av batteriet märkt med plustecknet). När batteriet laddar ur energi för att driva en bil eller en smartphone, rör sig de laddade partiklarna (kallade joner) över batteriet till katoden (+-änden). Elektrolyten, fast eller flytande, är den väg jonerna tar mellan anoden och katoden. Utan en elektrolyt kan joner inte röra sig och lagra energi i anoden och katoden.
I ett solid state-batteri är elektrolyten vanligtvis antingen ett keramiskt eller ett tätt glas. Solid state-batterier med fast elektrolyt kan möjliggöra mer energitäta material (t.ex. litiummetall) och göra batterierna lättare och mindre. Vikt, volym och laddningskapacitet är nyckelfaktorer för transportapplikationer som elfordon. Solid-state-batterier bör också vara säkrare och mindre känsliga för bränder än andra former.
Ingenjörer har känt till att solid-state-batterier är benägna att misslyckas vid elektrolyten, men felen verkade inträffa slumpmässigt. Hatzell och medforskare misstänkte att felen kanske inte var slumpmässiga utan faktiskt orsakade av förändringar i elektrolytens kristallina struktur. För att utforska denna hypotes använde forskarna synkrotronen vid Argonne National Lab för att producera kraftfulla röntgenstrålar som gjorde det möjligt för dem att titta in i batteriet under drift. De kombinerade röntgenbilder och högenergidiffraktionstekniker för att studera den kristallina strukturen hos en granatelektrolyt på ångströmskalan, ungefär lika stor som en enda atom. Detta gjorde det möjligt för forskarna att studera förändringar i granaten på kristallnivå.
En granatelektrolyt består av en ensemble av byggstenar som kallas korn. I en enda elektrolyt (1 mm diameter) finns det nästan 30 000 olika korn. Forskarna fann att över de 30 000 kornen fanns det två dominerande strukturella arrangemang. Dessa två strukturer förflyttar joner med olika hastigheter. Dessutom kan dessa olika former eller struktur "leda till stressgradienter som leder till att joner rör sig i olika riktningar och att joner undviker delar av cellen", sa Hatzell.
Hon liknade rörelsen av laddade joner genom batteriet med vatten som rörde sig nerför en flod och möter en sten som omdirigerar vattnet. Områden som har stora mängder joner som rör sig genom tenderar att ha högre stressnivåer.
"Om du har alla joner på väg till en plats, kommer det att orsaka ett snabbt misslyckande," sa Hatzell. "Vi måste ha kontroll över var och hur joner rör sig i elektrolyter för att kunna bygga batterier som håller i tusentals laddningscykler."
Hatzell sa att det borde vara möjligt att kontrollera kornens enhetlighet genom tillverkningstekniker och genom att tillsätta små mängder olika kemikalier som kallas dopämnen för att stabilisera kristallformerna i elektrolyterna.
"Vi har många hypoteser som är oprövade om hur du skulle undvika dessa heterogeniteter," sa hon. "Det kommer säkert att bli utmanande, men inte omöjligt."
Artikeln, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and Its Implications on Grain Level Chemo-Mechanics", publicerades i tidskriften Nature Materials . + Utforska vidare
