Forskning vid Sandia National Laboratories har identifierat ett stort hinder för att förbättra solid-state litiumjonbatteriprestanda i liten elektronik:flödet av litiumjoner över batterigränssnitt.

Sandias treåriga Laboratory Directed Research and Development-projekt undersökte nanoskala kemi hos fasta batterier, med fokus på området där elektroder och elektrolyter kommer i kontakt. De flesta kommersiella litiumjonbatterier innehåller en flytande elektrolyt och två fasta elektroder, men solid-state-batterier har istället ett solidt elektrolytskikt, så att de håller längre och fungerar säkrare.

"Det underliggande målet med arbetet är att göra solid-state-batterier mer effektiva och att förbättra gränssnitten mellan olika material, "Sandia -fysikern Farid El Gabaly sa." I detta projekt, alla material är solida; vi har inte ett flytande-fast gränssnitt som i traditionella litiumjonbatterier. "

Forskningen publicerades i en Nanobokstäver papper med titeln, "Icke-faradaisk Li+-migrering och kemisk koordinering över Solid-State-batterigränssnitt." Författare inkluderar Sandia postdoktorn Forrest Gittleson och El Gabaly. Arbetet finansierades av Laboratory Directed Research and Development-programmet, med tilläggsfinansiering av Institutionen för energis vetenskapskontor.

El Gabaly förklarade att i alla litiumbatterier, litiumet måste färdas fram och tillbaka från en elektrod till den andra när den laddas och urladdas. Dock, rörligheten för litiumjoner är inte densamma i alla material och gränssnitt mellan material är ett stort hinder.

Påskyndar korsningen

El Gabaly jämför arbetet med att räkna ut hur man får trafik att röra sig snabbt genom en upptagen korsning.

"För oss, vi försöker minska trafikstockningen i korsningen mellan två material, " han sa.

El Gabaly liknade elektrod-elektrolytgränssnittet med en vägtullbod eller slogs samman på en motorväg.

"Vi tar i huvudsak bort de kontanta vägtullarna och säger att alla måste gå igenom snabbspåret, så att du jämnar ut eller eliminerar avmattningarna, ", sa han. "När du förbättrar processen vid gränssnittet har du rätt infrastruktur för att fordon ska passera lätt. Du måste fortfarande betala, men det är snabbare och mer kontrollerat än folk som söker efter mynt i handskfacket."

Det finns två viktiga gränssnitt i solid state-batterier, han förklarade, vid katod-elektrolytövergången och elektrolyt-anodövergången. Båda kan vara att diktera prestandagränserna för ett fullt batteri.

Gittleson tillägger, "När vi identifierar en av dessa flaskhalsar, vi frågar, "Kan vi ändra det?" Och sedan försöker vi ändra gränssnittet och göra de kemiska processerna mer stabila över tid."

Sandias intresse för solid state-batterier

El Gabaly sa att Sandia är intresserad av forskningen främst för att solid-state-batterier har lågt underhåll, pålitlig och säker. Flytande elektrolyter är vanligtvis reaktiva, flyktiga och mycket brandfarliga och är en ledande orsak till kommersiellt batterifel. Att eliminera den flytande komponenten kan få dessa enheter att prestera bättre.

"Vårt fokus låg inte på stora batterier, som i elfordon, " El Gabaly sa. "Det var mer för liten eller integrerad elektronik."

Eftersom Sandias laboratorium i Kalifornien inte utförde forskning om solid-state batterier, projektet byggde först grunden för att prototypa batterier och undersöka gränssnitt.

"Denna typ av karakterisering är inte trivial eftersom gränssnitten som vi är intresserade av bara är några få atomlager tjocka, "Sa Gittleson." Vi använder röntgenstrålar för att undersöka kemin i de begravda gränssnitten, genom att bara se några nanometer material. Även om det är utmanande att designa experiment, vi har varit framgångsrika i att undersöka dessa regioner och relatera kemin till full batteriprestanda."

Bearbetar forskningen

Forskningen utfördes med material som har använts i tidigare proof-of-concept solid state-batterier.

"Eftersom dessa material inte produceras i stor kommersiell skala, vi behövde kunna tillverka hela enheter på plats, "El Gabaly sa." Vi sökte metoder för att förbättra batterierna genom att antingen sätta in eller ändra gränssnitten på olika sätt eller byta material. "

Arbetet använde pulsad laserdeposition och röntgenfotoelektronspektroskopi kombinerat med elektrokemiska tekniker. Detta möjliggjorde mycket småskalig avsättning eftersom batterierna är tunna och integrerade på en silikonskiva.

"Med denna metod, vi kan konstruera gränssnittet ner till nanometer eller till och med subnanometer nivå, "Sa Gittleson, och tillägger att hundratals prover skapades.

Att bygga batterier på detta sätt gjorde det möjligt för forskarna att få en exakt bild av hur det gränssnittet ser ut eftersom materialen kan monteras så kontrollerbart.

Nästa fas av forskningen är att förbättra batteriernas prestanda och att montera dem tillsammans med andra Sandia-teknologier.

"Vi kan nu börja kombinera våra batterier med lysdioder, sensorer, små antenner eller valfritt antal integrerade enheter, ", sa El Gabaly. "Även om vi är nöjda med vår batteriprestanda, vi kan alltid försöka förbättra det mer."