Les batteries à semi-conducteurs sont chargées et déchargées dans du matériel sur mesure conçu par Georgia Tech. Un plus petit, Une version modifiée de la cellule montrée ici a été utilisée pour imager ces matériaux pendant le cyclisme. Crédit :Matthew McDowell, Géorgie Tech
En utilisant la tomographie aux rayons X, une équipe de recherche a observé l'évolution interne des matériaux à l'intérieur des batteries au lithium à l'état solide au fur et à mesure qu'elles étaient chargées et déchargées. Des informations tridimensionnelles détaillées issues de la recherche pourraient aider à améliorer la fiabilité et les performances des batteries, qui utilisent des matériaux solides pour remplacer les électrolytes liquides inflammables dans les batteries lithium-ion existantes.
L'imagerie par microtomographie calculée par rayons X en synchrotron operando a révélé comment les changements dynamiques des matériaux des électrodes aux interfaces lithium/électrolyte solide déterminent le comportement des batteries à l'état solide. Les chercheurs ont découvert que le fonctionnement de la batterie provoquait la formation de vides à l'interface, ce qui a créé une perte de contact qui a été la principale cause de défaillance dans les cellules.
"Ce travail fournit une compréhension fondamentale de ce qui se passe à l'intérieur de la batterie, et que l'information devrait être importante pour guider les efforts d'ingénierie qui rapprocheront ces batteries de la réalité commerciale au cours des prochaines années, " a déclaré Matthew McDowell, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering et à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "Nous avons pu comprendre exactement comment et où les vides se forment à l'interface, puis associez cela aux performances de la batterie."
La recherche, soutenu par la National Science Foundation, une bourse de recherche Sloan, et le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, sera publié le 28 janvier dans le journal Matériaux naturels .
Les batteries lithium-ion désormais largement utilisées pour tout, de l'électronique mobile aux véhicules électriques, reposent sur un électrolyte liquide pour transporter les ions dans les deux sens entre les électrodes de la batterie pendant les cycles de charge et de décharge. Le liquide enrobe uniformément les électrodes, permettant la libre circulation des ions.
La technologie des batteries à semi-conducteurs en évolution rapide utilise à la place un électrolyte solide, ce qui devrait contribuer à augmenter la densité énergétique et à améliorer la sécurité des futures batteries. Mais le retrait du lithium des électrodes peut créer des vides aux interfaces qui causent des problèmes de fiabilité qui limitent la durée de fonctionnement des batteries.
Une vue en trois dimensions de l'interface lithium/électrolyte solide au sein de la batterie reconstruite par tomographie aux rayons X. Crédit :Matthew McDowell, Géorgie Tech
"Pour contrer cela, vous pourriez imaginer créer des interfaces structurées à travers différents processus de dépôt pour essayer de maintenir le contact à travers le processus de cyclage, " a déclaré McDowell. " Un contrôle et une ingénierie minutieux de ces structures d'interface seront très importants pour le développement futur des batteries à semi-conducteurs, et ce que nous avons appris ici pourrait nous aider à concevoir des interfaces."
L'équipe de recherche de Georgia Tech, dirigé par le premier auteur et étudiant diplômé Jack Lewis, construit des cellules de test spéciales d'environ deux millimètres de large qui ont été conçues pour être étudiées à la source avancée de photons, une installation synchrotron au Laboratoire national d'Argonne, une installation de l'Office of Science du département de l'Énergie des États-Unis située près de Chicago. Quatre membres de l'équipe ont étudié les changements dans la structure de la batterie au cours d'une période de cinq jours d'expériences intensives.
"L'instrument prend des images dans différentes directions, et vous les reconstruisez à l'aide d'algorithmes informatiques pour fournir des images 3D des batteries au fil du temps, " a déclaré McDowell. " Nous avons fait cette imagerie pendant que nous chargeions et déchargeions les batteries pour visualiser comment les choses changeaient à l'intérieur des batteries pendant qu'elles fonctionnaient. "
Parce que le lithium est si léger, l'imagerie avec des rayons X peut être difficile et nécessite une conception spéciale des cellules de batterie de test. La technologie utilisée à Argonne est similaire à celle utilisée pour la tomodensitométrie (TDM) médicale. "Au lieu d'imaginer les gens, nous imaginions des batteries, " il a dit.
En raison des limites des tests, les chercheurs n'ont pu observer la structure des batteries qu'au cours d'un seul cycle. Dans les travaux futurs, McDowell aimerait voir ce qui se passe au cours des cycles supplémentaires, et si la structure s'adapte d'une manière ou d'une autre à la création et au remplissage des vides. Les chercheurs pensent que les résultats s'appliqueraient probablement à d'autres formulations d'électrolytes, et que la technique de caractérisation pourrait être utilisée pour obtenir des informations sur d'autres processus de batterie.
Les packs de batteries pour véhicules électriques doivent supporter au moins mille cycles pendant une projection de 150, Durée de vie de 000 milles. Alors que les batteries à semi-conducteurs avec électrodes au lithium métal peuvent offrir plus d'énergie pour une batterie de taille donnée, cet avantage ne surpassera pas la technologie existante à moins qu'elle ne puisse offrir des durées de vie comparables.
« Nous sommes très enthousiastes quant aux perspectives technologiques des batteries à semi-conducteurs, " a déclaré McDowell. " Il y a un intérêt commercial et scientifique substantiel dans ce domaine, et les informations de cette étude devraient aider à faire progresser cette technologie vers de larges applications commerciales. »
