Para peneliti melihat baterai solid-state yang diisi dan dikosongkan menggunakan tomografi sinar-X

Baterai solid state diisi dan dikosongkan dalam perangkat keras khusus yang dibuat di Georgia Tech. Versi sel yang lebih kecil dan dimodifikasi yang ditunjukkan di sini telah digunakan untuk menahan bahan-bahan ini saat bersepeda. Kredit: Matthew McDowell, Georgia Tech

Dengan menggunakan tomografi sinar-X, tim peneliti mengamati evolusi internal bahan dalam baterai litium solid-state saat diisi dan dikosongkan. Informasi tiga dimensi yang dirinci oleh penelitian ini dapat membantu meningkatkan keandalan dan kinerja baterai, yang menggunakan bahan padat untuk menggantikan elektrolit cairan yang mudah terbakar dalam baterai lithium-ion yang ada.

Pencitraan tomografi terkomputasi sinar-X dari sinkrotron yang beroperasi mengungkapkan bagaimana perubahan dinamis bahan elektroda pada antarmuka litium / elektrolit padat menentukan perilaku baterai keadaan padat. Para peneliti menemukan bahwa operasi baterai menyebabkan pembentukan rongga di antarmuka, yang menyebabkan hilangnya kontak yang merupakan penyebab utama kegagalan dalam sel.

“Pekerjaan ini memberikan pemahaman mendasar tentang apa yang terjadi pada baterai, dan informasi itu harus penting untuk memandu upaya rekayasa yang akan mendorong baterai ini lebih dekat ke realitas komersial di tahun-tahun mendatang,” kata Matthew McDowell, asisten profesor di George W. Woodruff Sekolah Teknik Mesin dan Sekolah Ilmu dan Teknik Material di Institut Teknologi Georgia. “Kami dapat memahami dengan tepat bagaimana dan di mana lowongan terbentuk di antarmuka, dan kemudian merujuknya ke performa baterai.”

Penelitian tersebut, yang didukung oleh National Science Foundation, Sloan Research Fellowship, dan Office of Air Force Scientific Research, akan dilaporkan hari ini (28 Januari 2021) di jurnal. Bahan Alam.

Antarmuka Elektrolit Khusus Lithium

Pemandangan tiga dimensi dari antarmuka litium / elektrolit padat dalam baterai yang direkonstruksi dengan tomografi sinar-X. Kredit: Matthew McDowell, Georgia Tech

Baterai ion-ion sekarang banyak digunakan dalam segala hal mulai dari perangkat elektronik seluler hingga kendaraan listrik yang mengandalkan elektrolit cair untuk mengangkut ion bolak-balik antara elektroda dalam baterai selama siklus pengisian dan pemakaian. Cairan tersebut secara seragam melapisi elektroda, memungkinkan pergerakan ion bebas.

Teknologi baterai solid-state yang berkembang pesat malah menggunakan elektrolit padat, yang seharusnya membantu meningkatkan kepadatan energi dan meningkatkan keamanan baterai di masa mendatang. Tetapi melepas litium dari elektroda dapat membuat celah di antarmuka yang menyebabkan masalah keandalan yang membatasi berapa lama baterai dapat beroperasi.

“Untuk mengatasi ini, Anda dapat membayangkan membuat antarmuka terstruktur melalui berbagai proses pengendapan untuk mencoba mempertahankan kontak melalui proses siklus,” kata McDowell. “Kontrol dan rekayasa yang cermat dari struktur antarmuka ini akan sangat penting untuk pengembangan baterai solid-state di masa mendatang, dan apa yang telah kami pelajari di sini dapat membantu merancang antarmuka.”

Tim peneliti Georgia Tech, dipimpin oleh penulis pertama dan mahasiswa pascasarjana Jack Lewis, telah membangun sel uji khusus dengan lebar sekitar dua milimeter yang dirancang untuk dipelajari di Advanced Photon Source, fasilitas sinkrotron di AS. Laboratorium Nasional Argonne, AS Kantor Departemen Ilmu Energi didirikan di dekat Chicago. Empat anggota tim mempelajari perubahan struktur baterai selama periode percobaan intensif selama lima hari.

“Alat ini mengambil gambar dari berbagai arah, dan merekonstruksinya menggunakan algoritme komputer untuk memberikan gambar 3-D baterai dari waktu ke waktu,” kata McDowell. “Kami melakukan gambar ini saat kami sedang mengisi ulang dan mengosongkan baterai untuk memvisualisasikan bagaimana hal-hal berubah di dalam baterai saat mereka bekerja.”

Karena litium sangat ringan, mencitrakannya dengan sinar-X dapat menjadi tantangan dan memerlukan desain khusus dari sel baterai uji. Teknologi yang digunakan di Argonne mirip dengan yang digunakan untuk pemindaian tomografi komputer (CT) medis. “Alih-alih mencitrakan orang, kami adalah baterai pencitraan,” katanya.

Karena keterbatasan dalam pengujian, para peneliti dapat mengamati struktur baterai hanya untuk satu siklus. Dalam pekerjaan masa depan, McDowell ingin melihat apa yang terjadi dalam siklus tambahan, dan apakah struktur menyesuaikan dengan cara apa pun untuk pembuatan dan pengisian lowongan. Para peneliti percaya bahwa hasil tersebut kemungkinan akan diterapkan pada formulasi elektrolitik lain, dan bahwa teknik karakterisasi dapat digunakan untuk memperoleh informasi tentang proses baterai lainnya.

Paket baterai untuk kendaraan listrik harus tahan setidaknya seribu siklus selama masa pakai yang diproyeksikan sejauh 150.000 mil. Meskipun baterai solid-state dengan elektroda logam litium dapat menawarkan lebih banyak daya untuk baterai berukuran tertentu, keunggulan tersebut tidak akan melampaui teknologi yang ada, kecuali jika dapat memberikan masa pakai yang sebanding.

“Kami sangat senang dengan prospek teknologi untuk baterai solid-state,” kata McDowell. “Ada kepentingan komersial dan ilmiah yang substansial di bidang ini, dan informasi dari penelitian ini akan membantu memajukan teknologi ini menuju aplikasi komersial yang luas.”

Referensi: 28 Januari 2021, Bahan Alam.
DOI: 10.1038 / s41563-020-00903-2

Selain yang telah disebutkan, penulis bersama termasuk Francisco Javier Quintero Cortes, Yuhgene Liu, John C. Miers, Jared Tippens, Dhruv Prakash, Thomas S. Marchese, Sang Yun Han, Chanhee Lee, Pralav P. Shetty dan Christopher Saldana dari Georgia Tech; Ankit Verma, Bairav ​​S. Vishnugopi dan Partha P. Mukherjee dari Universitas Purdue; Hyun-Wook Lee dari Institut Sains dan Teknologi Nasional Ulsan; dan Pavel Shevchenko dan Francesco De Carlo dari Laboratorium Nasional Argonne.

Pekerjaan ini sebagian didukung oleh National Foundation for Science di bawah Award No. DMR-1652471, Sloan Research Fellowship in Chemistry, sebuah NASA Pertukaran Teknologi Luar Angkasa, kelompok program pertukaran Colciencias-Fulbright 2016, Kementerian Perdagangan, Industri dan Energi / Institut Korea untuk Pengkajian dan Perencanaan Teknologi Energi (MOTIE / KETEP) (20194010000100), Kantor Riset Angkatan Udara (AFOSR) di bawah Hibah FA9550-17-1-0130, dan program Scialog disponsori bersama oleh Research Corporation for Science Advancement dan Alfred P. Sloan Foundation yang mencakup hibah ke Universitas Purdue dari Alfred P. Sloan Foundation. Penelitian ini menggunakan sumber daya dari Advanced Photon Source, Departemen Energi (DOE) dari Office of User Science yang dioperasikan oleh Office of Science DOE dari Argonne National Laboratory di bawah Kontrak No. Setiap pendapat, penemuan, kesimpulan atau rekomendasi yang diungkapkan dalam materi ini adalah milik penulis dan tidak mencerminkan pandangan dari lembaga sponsor.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.