Рентгеновская томография позволяет исследователям наблюдать за зарядкой и разрядкой твердотельных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время широко используются во всем, от мобильной электроники до электромобилей, основаны на жидком электролите для переноса ионов между электродами внутри аккумулятора во время циклов зарядки и разрядки. Жидкость равномерно покрывает электроды, обеспечивая свободное движение ионов.

Вместо этого быстро развивающаяся технология твердотельных аккумуляторов использует твердый электролит, который должен помочь повысить плотность энергии и повысить безопасность будущих аккумуляторов. Но удаление лития из электродов может привести к образованию пустот на стыках, что повлечет за собой проблемы с надежностью и ограничит продолжительность работы батарей.

С помощью рентгеновской томографии исследователи наблюдали внутреннюю эволюцию материалов внутри твердотельных литиевых батарей по мере их зарядки и разрядки. Подробная трехмерная информация, полученная в результате исследования, может помочь повысить надежность и производительность аккумуляторов, в которых вместо горючих жидких электролитов в существующих литий-ионных аккумуляторах используются твердые материалы.

Синхротронная рентгеновская компьютерная микротомография Operando показала, как динамические изменения материалов электродов на границе раздела литий/твердый электролит определяют поведение твердотельных батарей. Исследователи обнаружили, что работа от батареи приводит к образованию пустот на границе раздела, что приводит к потере контакта, что является основной причиной выхода из строя элементов.

Команда построила специальные испытательные ячейки шириной около двух миллиметров и изучала изменения в структуре батареи в течение пяти дней. Тестовый прибор делал снимки с разных направлений; изображения были реконструированы с использованием компьютерных алгоритмов для получения трехмерных изображений батарей с течением времени.

Поскольку литий очень легкий, его визуализация с помощью рентгеновских лучей может быть сложной задачей и требует специальной конструкции элементов тестовой батареи. Используемая технология аналогична той, которая используется для медицинской компьютерной томографии (КТ). Из-за ограничений в тестировании исследователи смогли наблюдать структуру батарей только в течение одного цикла. В будущей работе они хотели бы увидеть, что происходит за дополнительный цикл и приспосабливается ли структура как-то к созданию и заполнению пустот. Результаты, вероятно, применимы к другим составам электролитов, и метод определения характеристик можно использовать для получения информации о других процессах, связанных с батареями.

Аккумуляторы для электромобилей должны выдерживать не менее 1000 циклов в течение предполагаемого срока службы в 150 000 миль. Хотя твердотельные батареи с литий-металлическими электродами могут обеспечить больше энергии для батареи заданного размера, это преимущество не даст преимущества перед существующими технологиями, если только они не смогут обеспечить сопоставимый срок службы.