Sinar-X yang kuat mengamati pengisian dan pengosongan baterai solid state
Spotlight

Sinar-X yang kuat mengamati pengisian dan pengosongan baterai solid state


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

Meskipun baterai litium digunakan di seluruh dunia, dinamika pengoperasiannya tetap sulit dipahami. Sinar-X telah terbukti menjadi alat yang ampuh untuk mengintip ke dalam baterai ini untuk melihat perubahan yang terjadi secara real time.

Menggunakan sinar-X ultrabright dari Advanced Photon Source (APS), US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility di DOE’s Argonne National Laboratory, tim peneliti baru-baru ini mengamati evolusi internal material di dalam solid-state. baterai litium saat diisi dan dikosongkan. Informasi 3-D mendetail 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.

Dengan menggunakan baterai silinder kecil (kira-kira dua milimeter), para peneliti di APS beamline 2-BM dapat menangkap gambar 3-D dari perubahan struktural selama siklus pengisian dan pengosongan baterai saat terjadi.

“Fitur utama dari beamline ini yang memungkinkan penelitian ini adalah sensitivitas tinggi dan kecepatan yang sangat cepat,” kata Francesco De Carlo, pemimpin grup divisi X-ray Science Argonne dan salah satu penulis makalah. “Sensitivitas membantu tim membedakan fase di dalam baterai dengan kepadatan yang sama, dan kecepatan memungkinkan mereka untuk menangkap perubahan di dalam baterai saat proses tersebut berkembang.”

Gambar yang jelas ini mengungkapkan bagaimana perubahan dinamis bahan elektroda pada antarmuka litium / elektrolit padat menentukan perilaku baterai solid-state. Para peneliti menemukan bahwa operasi baterai menyebabkan rongga kecil — berukuran hingga 1-2 mikron, sekitar 50 kali lebih kecil dari lebar rambut manusia — terbentuk pada antarmuka, yang menyebabkan hilangnya kontak yang merupakan penyebab utama kegagalan dalam sel.

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

Penelitian tersebut dilaporkan 28 Januari di jurnal tersebut Bahan Alam.

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

Teknologi baterai solid state yang berkembang pesat malah menggunakan elektrolit padat, yang akan membantu meningkatkan kepadatan energi dan meningkatkan keamanan baterai di masa mendatang. Tetapi penghapusan lithium dari elektroda dapat membuat lubang pada antarmuka yang menyebabkan masalah keandalan yang membatasi berapa lama baterai dapat beroperasi.

“Untuk mengatasi ini, Anda dapat membayangkan membuat antarmuka terstruktur melalui proses pengendapan yang berbeda 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 kami pelajari di sini dapat membantu kami merancang antarmuka.”

Tim peneliti Georgia Tech, dipimpin oleh penulis pertama dan mahasiswa pascasarjana Jack Lewis, membangun sel uji khusus yang dirancang untuk dipelajari pada beamline 2-BM dari APS. Empat anggota tim mempelajari perubahan dalam struktur baterai selama periode lima hari percobaan intensif menggunakan tomografi komputasi sinar-X.

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

Karena litium sangat ringan, pencitraan 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 mencitrakan baterai,” katanya.

Karena keterbatasan dalam pengujian, peneliti hanya dapat mengamati struktur baterai melalui satu siklus. Di masa mendatang, McDowell ingin melihat apa yang terjadi pada siklus tambahan, dan apakah struktur tersebut beradaptasi dengan pembuatan dan pengisian lubang kosong. Para peneliti percaya bahwa hasilnya kemungkinan akan berlaku untuk formulasi elektrolit lain, dan bahwa teknik karakterisasi dapat digunakan untuk memperoleh informasi tentang proses baterai lainnya.

De Carlo juga mencatat bahwa langkah selanjutnya yang mungkin dilakukan adalah nanotomografi, yang menggunakan sinar X-ray yang lebih terfokus dan dapat memberikan gambar rongga yang lebih kecil di baterai, jika terbentuk selama pengoperasian. Teknik ini juga dimungkinkan di APS.

Paket baterai untuk kendaraan listrik harus tahan setidaknya seribu siklus selama masa pakai 150.000 mil yang diproyeksikan. Sementara baterai solid-state dengan elektroda logam litium dapat menawarkan lebih banyak energi untuk ukuran baterai tertentu, keunggulan itu tidak akan mengatasi teknologi yang ada kecuali mereka 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.”


Tomografi sinar-X memungkinkan peneliti mengamati pengisian, pengosongan daya baterai solid-state


Informasi lebih lanjut:
John A.Lewis et al, Menghubungkan void dan evolusi interfase ke elektrokimia dalam baterai solid-state menggunakan operando X-ray tomography, Bahan Alam (2021). DOI: 10.1038 / s41563-020-00903-2

Disediakan oleh Laboratorium Nasional Argonne

Kutipan: Di dalam baterai dalam 3-D: Jam tangan sinar-X yang kuat mengisi dan melepaskan baterai solid state (2021, 3 Februari) diambil 3 Februari 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-02-battery-d-powerful -x-ray-solid.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SGP Hari Ini