Рентгеновская томография раскрывает динамику заряда-разряда в твердотельных батареях в реальном времени

Проблема твердотельных батарей: пустоты на границе электрод/электролит

Литий-ионные батареи, теперь широко используемые для всего — от мобильной электроники до электромобилей — полагаются на жидкий электролит для переноса ионов между электродами в батарее во время циклов заряда и разряда. Жидкость равномерно покрывает электроды, позволяя свободное движение ионов.

Быстро развивающаяся технология твердотельных батарей вместо этого использует твёрдый электролит, что должно помочь повысить плотность энергии и улучшить безопасность будущих батарей. Но удаление лития из электродов может создавать пустоты на интерфейсах, вызывающие проблемы надежности, ограничивающие срок службы батарей.

Операндо синхротронная рентгеновская микротомография

Используя рентгеновскую томографию, исследователи наблюдали внутреннюю эволюцию материалов внутри твердотельных литиевых батарей во время их заряда и разряда. Детальная трёхмерная информация может помочь улучшить надежность и производительность батарей, использующих твёрдые материалы вместо легковоспламеняющихся жидких электролитов в существующих литий-ионных батареях.

Операндо синхротронная рентгеновская компьютерная микротомография раскрыла, как динамические изменения материалов электродов на интерфейсах литий/твёрдый электролит определяют поведение твердотельных батарей. Исследователи обнаружили, что работа батареи вызывает образование пустот на интерфейсе, что создавало потерю контакта — первичную причину отказа в ячейках.

Специальные тестовые ячейки и 3D реконструкция

Команда построила специальные тестовые ячейки шириной около двух миллиметров и изучала изменения структуры батареи в течение пятидневного периода. Тестовый прибор снимал изображения из разных направлений; изображения реконструировались с помощью компьютерных алгоритмов для получения 3D изображений батарей во времени.

Вызовы визуализации лития и будущие работы

Поскольку литий очень лёгок, его визуализация рентгеновскими лучами может быть сложной и требовала специального дизайна тестовых ячеек батарей. Используемая технология похожа на используемую для медицинских компьютерных томографий (КТ). Из-за ограничений тестирования исследователи смогли наблюдать структуру батарей только через один цикл. В будущей работе они хотели бы увидеть, что происходит за дополнительные циклы и адаптируется ли структура к созданию и заполнению пустот. Результаты, вероятно, применимы к другим формулировкам электролитов, а техника характеристики может использоваться для получения информации о других батарейных процессах.

Батарейные паки для электромобилей должны выдерживать минимум 1000 циклов при прогнозируемом пробеге 150,000 миль. Хотя твердотельные батареи с литий-металлическими электродами могут предложить больше энергии для данного размера батареи, это преимущество не преодолее существующую технологию, если они не смогут обеспечить сопоставимые сроки службы.