Usando tomografia de raios-X, uma equipe de pesquisa observou a evolução interna dos materiais dentro das baterias de lítio de estado sólido à medida que eram carregadas e descarregadas. Informações tridimensionais detalhadas da pesquisa podem ajudar a melhorar a confiabilidade e o desempenho das baterias, que usam materiais sólidos para substituir os eletrólitos líquidos inflamáveis ​​nas baterias de íon de lítio existentes.

A imagem de microtomografia computadorizada de raios-X síncrotron operando revelou como as mudanças dinâmicas dos materiais do eletrodo nas interfaces de lítio / eletrólito sólido determinam o comportamento das baterias de estado sólido. Os pesquisadores descobriram que a operação da bateria causou a formação de vazios na interface, o que criou uma perda de contato que foi a principal causa de falha nas células.

"Este trabalho fornece uma compreensão fundamental do que está acontecendo dentro da bateria, e essa informação deve ser importante para orientar os esforços de engenharia que levarão essas baterias para mais perto da realidade comercial nos próximos anos, "disse Matthew McDowell, professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff e na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Conseguimos entender exatamente como e onde os vazios se formam na interface, e relacione isso ao desempenho da bateria. "

A pesquisa, apoiado pela National Science Foundation, uma bolsa de pesquisa Sloan, e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, será relatado em 28 de janeiro no jornal Materiais da Natureza .

As baterias de íon-lítio agora amplamente utilizadas para tudo, de eletrônicos móveis a veículos elétricos, dependem de um eletrólito líquido para transportar íons para frente e para trás entre os eletrodos dentro da bateria durante os ciclos de carga e descarga. O líquido reveste uniformemente os eletrodos, permitindo a livre movimentação dos íons.

A tecnologia de bateria de estado sólido de evolução rápida usa um eletrólito sólido, que deve ajudar a aumentar a densidade de energia e melhorar a segurança das baterias futuras. Mas a remoção do lítio dos eletrodos pode criar vazios nas interfaces que causam problemas de confiabilidade que limitam o tempo de operação das baterias.

"Para combater isso, você pode imaginar a criação de interfaces estruturadas por meio de diferentes processos de deposição para tentar manter o contato durante o processo cíclico, "McDowell disse." O controle cuidadoso e a engenharia dessas estruturas de interface serão muito importantes para o futuro desenvolvimento de baterias de estado sólido, e o que aprendemos aqui pode nos ajudar a projetar interfaces. "

A equipe de pesquisa da Georgia Tech, liderado pelo primeiro autor e estudante de graduação Jack Lewis, construiu células de teste especiais com cerca de dois milímetros de largura que foram projetadas para serem estudadas na Fonte Avançada de Fótons, uma instalação de síncrotron no Laboratório Nacional de Argonne, uma instalação do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA localizada perto de Chicago. Quatro membros da equipe estudaram as mudanças na estrutura da bateria durante um período de cinco dias de experimentos intensivos.

"O instrumento tira imagens de diferentes direções, e você os reconstrói usando algoritmos de computador para fornecer imagens 3-D das baterias ao longo do tempo, "McDowell disse." Fizemos essa imagem enquanto carregávamos e descarregávamos as baterias para visualizar como as coisas estavam mudando dentro das baterias durante o funcionamento. "

Porque o lítio é tão leve, obtê-lo com raios X pode ser desafiador e requer um design especial das células da bateria de teste. A tecnologia usada na Argonne é semelhante à usada para exames médicos de tomografia computadorizada (TC). "Em vez de imaginar pessoas, estávamos imaginando baterias, " ele disse.

Por causa das limitações do teste, os pesquisadores só puderam observar a estrutura das baterias por meio de um único ciclo. Em trabalho futuro, McDowell gostaria de ver o que acontece nos ciclos adicionais, e se a estrutura de alguma forma se adapta à criação e preenchimento de vazios. Os pesquisadores acreditam que os resultados provavelmente se aplicariam a outras formulações de eletrólitos, e que a técnica de caracterização poderia ser usada para obter informações sobre outros processos de bateria.

As baterias para veículos elétricos devem resistir a pelo menos mil ciclos durante um projeto de 150, Vida útil de 000 milhas. Enquanto as baterias de estado sólido com eletrodos de metal de lítio podem oferecer mais energia para um determinado tamanho de bateria, essa vantagem não superará a tecnologia existente, a menos que possam fornecer tempos de vida comparáveis.

“Estamos muito entusiasmados com as perspectivas tecnológicas para baterias de estado sólido, "McDowell disse." Há um interesse comercial e científico substancial nesta área, e as informações desse estudo devem ajudar no avanço dessa tecnologia em direção a amplas aplicações comerciais. "