Le professeur de génie mécanique Kelsey Hatzell et le chercheur postdoctoral Fengyu Shen au travail dans le laboratoire d'encres et d'interfaces de Hatzell. Crédit :Université Vanderbilt
La course à la production sûre, Les batteries au lithium à semi-conducteur puissantes et abordables s'accélèrent et les annonces récentes sur la recherche révolutionnaire utilisant un électrolyte céramique solide ininflammable connu sous le nom de grenat ont certains dans la course le qualifiant de révolutionnaire.
"Il s'agit d'un changement de paradigme dans le stockage d'énergie, " dit Kelsey Hatzell, professeur adjoint de génie mécanique. Un article - "The Effect of Pore Connectivity on Li Dendrite Propagation Within LLZO Electrolytes Observed with Synchrotron X-ray Tomography" - décrivant sa nouvelle recherche sur les points de défaillance d'un électrolyte de grenat a été publié en ligne en mars dans l'American Chemical Society's Lettres d'énergie , qui figurait parmi les articles d'ACS Letters les plus lus ce mois-ci.
Les batteries lithium-ion contiennent généralement un électrolyte organique liquide qui peut prendre feu. Le risque d'incendie est éliminé par l'utilisation d'un électrolyte à base de grenat ininflammable. Le remplacement des électrolytes liquides par un solide organique comme le grenat réduit également potentiellement le coût en augmentant la durée de vie de la batterie.
"Les batteries à semi-conducteurs sont souhaitables pour les véhicules tout électriques et d'autres applications où le stockage d'énergie et la sécurité sont primordiaux, " dit Hatzell.
L'équipe de Hatzell a testé Li
« La compréhension des mécanismes de défaillance au sein de ces systèmes d'électrolyte est essentielle pour concevoir des systèmes d'électrolyte solide résilients, " a déclaré Hatzell. " La principale limitation de LLZO est la propension aux événements de court-circuit à de faibles densités de courant. "
L'étude de Hatzell suit les changements structurels dans le LLZO après des événements de charge et de décharge réalistes à l'aide de la tomographie à rayons X synchrotron. Cette technique permet aux chercheurs de regarder à l'intérieur de la batterie et de visualiser les caractéristiques structurelles 3D avec des résolutions inférieures au micron.
"La plupart des techniques qui imagent le lithium dans un électrolyte solide sont réalisées de manière destructive ou ex situ en utilisant des techniques de microscopie électronique à balayage ou optique. Tester le matériau dans des conditions plus réalistes à l'aide d'outils synchrotron nous permet de sonder les interfaces enterrées, " dit Hatzell, dont les co-auteurs sont Fengyu Shen, un chercheur postdoctoral, et les étudiants diplômés Xianghui Xiao et Marm Dixit.
"Il n'y a qu'une poignée de synchrotrons et de sources de neutrons qui existent dans le monde. Marm était l'un des 60 étudiants diplômés sélectionnés pour l'École nationale 2017 sur la diffusion des neutrons et des rayons X. "Dans le cadre de ce programme, il a passé une semaine à Oak Ridge National Lab et une semaine au laboratoire national d'Argonne, " dit Hatzell.
La source de photons avancée d'Argonne et la source de neutrons de spallation et le réacteur à isotope à haut flux de l'ORNL permettent une étude à l'échelle nanométrique des matériaux et des interactions avancés. Dixit a pu travailler et apprendre des techniques de caractérisation synchrotron auprès d'éminents scientifiques et experts. L'équipe de Hatzell a effectué tous ses tests à Argonne.
"Ces résultats peuvent potentiellement éclairer la conception des matériaux pour la prochaine génération de tous les systèmes de batteries à semi-conducteurs. Les résultats ont conclu que la présence de vides ou de pores connectés entraînait un taux de défaillance plus élevé, " dit Hatzell.
« Bien qu'il reste encore beaucoup de recherches à faire pour mettre sur le marché des dispositifs à semi-conducteurs, leur promesse d'applications dans les batteries à haute densité énergétique et les applications de véhicules électriques suscite beaucoup d'intérêt à travers le monde."
