X-Ray Tomography Memungkinkan Peneliti Menonton Pengisian dan Pengosongan Baterai Solid-State
Baterai lithium-ion sekarang digunakan secara luas untuk segala hal mulai dari 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 merata melapisi elektroda, memungkinkan pergerakan ion secara bebas.
Teknologi baterai solid-state yang berkembang pesat malah menggunakan elektrolit padat, yang seharusnya membantu meningkatkan kepadatan energi dan meningkatkan keamanan baterai masa depan. Namun, pelepasan litium dari elektroda dapat menciptakan rongga pada antarmuka yang menyebabkan masalah keandalan, sehingga membatasi berapa lama baterai dapat beroperasi.
Menggunakan tomografi sinar-X, para peneliti mengamati evolusi internal bahan di dalam baterai lithium solid-state saat diisi dan dikosongkan. Informasi tiga dimensi yang terperinci dari penelitian ini dapat membantu meningkatkan keandalan dan kinerja baterai, yang menggunakan bahan padat untuk menggantikan elektrolit cair yang mudah terbakar pada baterai lithium-ion yang ada.
Operando synchrotron X-ray computed microtomography imaging mengungkapkan bagaimana perubahan dinamis bahan elektroda pada antarmuka lithium/solid-elektrolit menentukan perilaku baterai solid-state. Para peneliti menemukan bahwa pengoperasian baterai menyebabkan rongga terbentuk di antarmuka, yang menyebabkan hilangnya kontak yang merupakan penyebab utama kegagalan dalam sel.
Tim membangun sel uji khusus dengan lebar sekitar dua milimeter dan mempelajari perubahan struktur baterai selama periode lima hari. Instrumen tes mengambil gambar dari arah yang berbeda; gambar direkonstruksi menggunakan algoritme komputer untuk memberikan gambar 3D baterai dari waktu ke waktu.
Karena lithium sangat ringan, pencitraan dengan sinar-X dapat menjadi tantangan dan memerlukan desain khusus dari sel baterai uji. Teknologi yang digunakan mirip dengan yang digunakan untuk pemindaian tomografi komputer (CT) medis. Karena keterbatasan dalam pengujian, peneliti hanya dapat mengamati struktur baterai melalui satu siklus. Dalam pekerjaan di masa depan, mereka ingin melihat apa yang terjadi pada siklus tambahan dan apakah struktur tersebut entah bagaimana beradaptasi dengan pembuatan dan pengisian rongga. Hasilnya kemungkinan akan berlaku untuk formulasi elektrolit lain dan teknik karakterisasi dapat digunakan untuk memperoleh informasi tentang proses baterai lainnya.
Paket baterai untuk kendaraan listrik harus tahan setidaknya 1.000 siklus selama masa pakai 150.000 mil yang diproyeksikan. Meskipun baterai solid-state dengan elektroda logam litium dapat menawarkan lebih banyak energi untuk ukuran baterai tertentu, keunggulan tersebut tidak akan mengatasi teknologi yang ada kecuali baterai tersebut dapat memberikan masa pakai yang sebanding.
