Röntgentomographie lässt Forscher Festkörperbatterien beim Laden und Entladen beobachten

Lithium-Ionen-Batterien, die heute für alles von mobiler Elektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, sind auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen, um Ionen während Lade- und Entladezyklen zwischen den Elektroden innerhalb der Batterie hin und her zu transportieren. Die Flüssigkeit bedeckt die Elektroden gleichmäßig und ermöglicht eine freie Bewegung der Ionen.

Die sich schnell entwickelnde Festkörperbatterietechnologie verwendet stattdessen einen Festelektrolyten, der dazu beitragen sollte, die Energiedichte zu erhöhen und die Sicherheit zukünftiger Batterien zu verbessern. Das Entfernen von Lithium von Elektroden kann jedoch Hohlräume an Schnittstellen erzeugen, die Zuverlässigkeitsprobleme verursachen und die Betriebsdauer der Batterien einschränken.

Mithilfe von Röntgentomographie beobachteten die Forscher die interne Entwicklung der Materialien in Festkörper-Lithiumbatterien, wenn sie geladen und entladen wurden. Detaillierte dreidimensionale Informationen aus der Forschung könnten dazu beitragen, die Zuverlässigkeit und Leistung der Batterien zu verbessern, die feste Materialien verwenden, um die brennbaren flüssigen Elektrolyte in bestehenden Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen.

Operando-Synchrotron-Röntgen-Computermikrotomographie-Bildgebung zeigte, wie die dynamischen Änderungen von Elektrodenmaterialien an Lithium/Festelektrolyt-Grenzflächen das Verhalten von Festkörperbatterien bestimmen. Die Forscher fanden heraus, dass der Batteriebetrieb zur Bildung von Hohlräumen an der Grenzfläche führte, was zu einem Kontaktverlust führte, der die Hauptursache für den Ausfall der Zellen war.

Das Team baute spezielle Testzellen mit einer Breite von etwa zwei Millimetern und untersuchte die Veränderungen in der Batteriestruktur über einen Zeitraum von fünf Tagen. Das Testgerät nahm Bilder aus verschiedenen Richtungen auf; Die Bilder wurden mithilfe von Computeralgorithmen rekonstruiert, um 3D-Bilder der Batterien im Laufe der Zeit bereitzustellen.

Da Lithium so leicht ist, kann es schwierig sein, es mit Röntgenstrahlen abzubilden, und erforderte ein spezielles Design der Testbatteriezellen. Die verwendete Technologie ähnelt derjenigen, die für medizinische Computertomographie (CT)-Scans verwendet wird. Aufgrund von Einschränkungen bei den Tests konnten die Forscher die Struktur der Batterien nur während eines einzigen Zyklus beobachten. In zukünftigen Arbeiten möchten sie sehen, was über zusätzliche Zyklen passiert und ob sich die Struktur irgendwie an die Erzeugung und Füllung von Hohlräumen anpasst. Die Ergebnisse würden wahrscheinlich auf andere Elektrolytformulierungen zutreffen und die Charakterisierungstechnik könnte verwendet werden, um Informationen über andere Batterieprozesse zu erhalten.

Batteriepakete für Elektrofahrzeuge müssen mindestens 1.000 Zyklen während einer voraussichtlichen Lebensdauer von 150.000 Meilen standhalten. Während Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Elektroden mehr Energie für eine Batterie einer bestimmten Größe bieten können, wird dieser Vorteil die vorhandene Technologie nicht überwinden, es sei denn, sie können eine vergleichbare Lebensdauer bieten.