Tomografi X-ray Ungkap Dinamika Charg-Discharge Real-Time dalam Baterai Padat
Baterai lithium-ion yang sekarang digunakan secara luas untuk segala sesuatu dari elektronik seluler hingga kendaraan listrik bergantung pada elektrolit cair untuk membawa ion balik dan maju antara elektroda dalam baterai selama siklus pengisian dan pengosongan. Cairan secara merata melapisi elektroda, memungkinkan gerakan bebas ion.
Teknologi baterai padat yang berkembang pesat sebagai gantinya menggunakan elektrolid padat, yang seharusnya membantu meningkatkan densitas energi dan meningkatkan keamanan baterai masa depan. Namun pengapusan lithium dari elektroda dapat menciptakan ruang kosong di antarmuka yang menyebabkan masalah keandalan, membatasi seberapa lama baterai dapat beroperasi.
Menggunakan tomografi X-ray, para peneliti mengamati evolusi internal materi di dalam baterai lithium padat saat diisi dan dikosongkan. Informasi tiga dimensi detail dari penelitian ini dapat membantu meningkatkan keandalan dan performa baterai, yang menggunakan materi padat untuk menggantikan elektrolit cair terbakar dalam baterai lithium-ion yang ada.
Pemitraan sinrotron X-ray komputasi mikro tomografi operando mengungkap bagaimana perubahan dinamis materi elektroda pada antarmuka lithium/elektrolit padat menentukan perilaku baterai padat. Para peneliti menemukan bahwa operasi baterai menyebabkan terbentuknya ruang kosong di antarmuka, yang menciptakan kehilangan kontak yang merupakan penyebab utama kegagalan pada sel.
Tim membuat sel tes khusus lebar sekitar dua milimeter dan mempelajari perubahan struktur baterai selama periode lima hari. Alat tes mengambil gambar dari berbagai arah; gambar direkonstruksi menggunakan algoritma komputer untuk memberikan gambar 3D baterai seiring waktu.
Karena lithium sangat ringan, mengcitra lithium dengan X-ray dapat menjadi tantangan dan memerlukan desain khusus dari sel baterai tes. Teknologi yang digunakan mirip dengan yang digunakan untuk pemitraan komputasi medis (CT) scan. Karena keterbatasan dalam pengujian, para peneliti hanya dapat mengamati struktur baterai melalui satu siklus. Dalam pekerjaan mendatang, mereka ingin melihat apa yang terjadi selama siklus tambahan dan apakah struktur beradaptasi dengan pembuatan dan pengisian ruang kosong. Hasilnya mungkin berlaku untuk formulasi elektrolit lain dan teknik karakterisasi dapat digunakan untuk mendapatkan informasi tentang proses baterai lainnya.
Paket baterai untuk kendaraan listrik harus menahan setidaknya 1.000 siklus selama umur yang diproyeksikan 150.000 mil. Meskipun baterai padat dengan elektroda logam lithium dapat menawarkan lebih banyak energi untuk ukuran baterai yang sama, keuntungan itu tidak akan mengalahkan teknologi yang ada kecuali mereka dapat menyediakan umur yang sebanding.
