研究人员使用X射线断层摄影术观察固态电池的充电和放电

固态电池可以在Georgia Tech设计的定制硬件中进行充电和放电。此处显示的单元的较小修改版本用于在循环过程中对这些材料进行成像。

一个研究小组使用X射线断层摄影术观察了固态锂电池在充电和放电过程中内部材料的内部演变。这项研究提供的详细的三维信息可以帮助提高电池的可靠性和性能，该电池使用固体材料代替现有锂离子电池中的易燃液体电解质。

同步电子X射线计算机断层扫描成像技术揭示了锂/固体电解质界面上电极材料的动态变化如何决定固态电池的性能。研究人员发现，电池操作会在界面处形成空隙，从而造成失去接触，这是电池失效的主要原因。

乔治助理教授马修·麦克道威尔说：“这项工作提供了对电池内部发生情况的基本理解，并且信息对于指导工程工作将是重要的，这些工作将在未来几年内将这些电池推向商业现实。”乔治亚理工学院的W. Woodruff机械工程学院和材料科学与工程学院。“我们能够准确了解界面处空隙的形成方式和位置，然后将其与电池性能联系起来。”

由国家科学基金会，斯隆研究奖学金和空军科学研究所支持的这项研究将于今天（2021年1月28日）在自然材料杂志上进行报道。

X射线断层扫描重建的电池中锂/固体电解质界面的三维视图。

现在，锂离子电池广泛用于从移动电子设备到电动汽车的所有事物，它依靠液体电解质在充电和放电循环期间在电池内的电极之间来回传递离子。液体均匀地覆盖电极，使离子自由移动。

快速发展的固态电池技术改为使用固态电解质，这应有助于提高能量密度并提高未来电池的安全性。但是，从电极上去除锂会在界面处产生空隙，从而导致可靠性问题，从而限制电池的使用寿命。

“为了解决这个问题，您可以想象通过不同的沉积过程创建结构化的界面，以尝试在循环过程中保持接触，” McDowell说。“对这些接口结构进行仔细的控制和工程设计对于将来的固态电池开发将非常重要，我们在这里学到的信息可以帮助我们设计接口。”

由第一作者和研究生杰克·刘易斯（Jack Lewis）领导的佐治亚理工学院研究小组建造了约2毫米宽的特殊测试单元，旨在在美国能源部阿贡国家实验室的同步加速器设施Advanced Photon Source中进行研究。位于芝加哥附近的科学机构。该小组的四名成员在为期五天的密集实验中研究了电池结构的变化。

McDowell说：“该仪器从不同方向拍摄图像，然后您可以使用计算机算法重建它们，以提供电池的3D图像。”“我们在对电池充电和放电时进行了成像，以可视化电池在运行过程中的变化情况。”

由于锂是如此轻，因此用X射线对其进行成像可能具有挑战性，并且需要对测试电池进行特殊设计。Argonne所使用的技术类似于医学计算机断层扫描（CT）扫描所使用的技术。他说：“我们不是在给人们成像，而是给电池成像。”

由于测试的局限性，研究人员只能在一个周期内观察电池的结构。在将来的工作中，McDowell希望了解在其他周期中会发生什么，以及该结构是否以某种方式适应空隙的产生和填充。研究人员认为，该结果可能会适用于其他电解质配方，并且表征技术可用于获取有关其他电池工艺的信息。

电动汽车的电池组在预计的150,000英里的使用寿命内必须承受至少一千次循环。尽管带有锂金属电极的固态电池可以为给定尺寸的电池提供更多的能量，但除非能提供可比的使用寿命，否则这种优势将无法克服现有技术。

麦克道尔说：“我们对固态电池的技术前景感到非常兴奋。”“在这一领域中，存在着巨大的商业和科学兴趣，这项研究提供的信息应有助于将该技术推向广泛的商业应用。”

参考：John A. Lewis，Francisco Javier Quintero Cortes，Yugene Liu，John C. Miers，Ankit Verma，Bairav S. Vishnugopi，Jared Tippens，John A. Lewis，“通过操作X射线断层摄影术将固态电池中的空隙和相变演化与电化学联系在一起”，德鲁·普拉卡什（Dhruv Prakash），托马斯·S·马尔凯斯（Thomas S.材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-00903-2

除了已经提到的那些之外，合著者还包括来自佐治亚理工学院；来自普渡大学的Ankit Verma，Bairav S.Vishnugopi和Partha P.Mukherjee;蔚山国立科学技术学院的李贤旭（Hyun-Wook Lee）； Argonne国家实验室的Pavel Shevchenko和Francesco De Carlo。

这项工作得到了美国国家科学基金会的部分支持，其奖项号为DMR-1652471，斯隆化学研究奖学金，美国国家航空航天局（NASA）太空技术资助，2016年科西恩西亚斯-富布莱特奖学金计划队列，贸易，工业和能源部/韩国。能源技术评估与规划研究所（MOTIE / KETEP）（20194010000100），空军科研办公室（AFOSR），拨款FA9550-17-1-0130，以及由科学促进研究公司和美国国家科学研究院共同资助的Scialog计划Alfred P. Sloan基金会，其中包括Alfred P. Sloan基金会对普渡大学的资助。这项研究使用的是先进光子源的资源，后者是美国能源部（DOE）科学办公室用户设施，由阿贡国家实验室根据DE-AC02-06CH11357合同由美国能源部科学办公室运营。本材料中表达的任何观点，发现，结论或建议均为作者的观点，不一定反映赞助机构的观点。