Tomographie X révèle la dynamique charge-décharge en temps réel dans batteries à état solide

Les batteries lithium-ion maintenant largement utilisées pour tout, de l'électronique mobile aux véhicules électriques, reposent sur un électrolyte liquide pour transporter les ions entre les électrodes pendant les cycles de charge et décharge. Le liquide recouvre uniformément les électrodes, permettant le libre mouvement des ions.

Batteries à état solide : promesses et défis

La technologie des batteries à état solide en rapide évolution utilise à la place un électrolyte solide, ce qui devrait augmenter la densité énergétique et améliorer la sécurité des futures batteries. Mais le retrait de lithium des électrodes peut créer des vides aux interfaces causant des problèmes de fiabilité, limitant la durée de vie des batteries.

Tomographie X operando : visualisation 3D de l'évolution interne

En utilisant la tomographie X, les chercheurs ont observé l'évolution interne des matériaux à l'intérieur de batteries lithium à état solide pendant qu'elles étaient chargées et déchargées. L'information tridimensionnelle détaillée de la recherche pourrait aider à améliorer la fiabilité et la performance des batteries, qui utilisent des matériaux solides pour remplacer les électrolytes liquides inflammables des batteries lithium-ion existantes.

Vides à l'interface : cause principale de défaillance

L'imagerie par microtomographie X synchrotron operando a révélé comment les changements dynamiques des matériaux d'électrodes aux interfaces lithium/électrolyte-solide déterminent le comportement des batteries à état solide. Les chercheurs ont découvert que le fonctionnement de la batterie causait la formation de vides à l'interface, créant une perte de contact qui était la cause principale de défaillance dans les cellules.

Cellules de test 2 mm, imagerie sur 5 jours

L'équipe a construit des cellules de test spéciales d'environ deux millimètres de large et a étudié les changements de structure de la batterie sur une période de cinq jours. L'instrument de test a pris des images sous différents angles ; les images ont été reconstruites par algorithmes informatiques pour fournir des images 3D des batteries dans le temps.

Défis d'imagerie du lithium et perspectives

Comme le lithium est si léger, l'imagerie par rayons X peut être difficile et a nécessité une conception spéciale des cellules de test. La technologie utilisée est similaire à celle des scanners tomodensitométriques (CT) médicaux. En raison de limitations dans les tests, les chercheurs n'ont pu observer la structure des batteries que sur un seul cycle. Dans de futurs travaux, ils aimeraient voir ce qui se passe sur des cycles supplémentaires et si la structure s'adapte d'une manière ou d'une autre à la création et au remplissage des vides. Les résultats s'appliqueraient probablement à d'autres formulations d'électrolyte et la technique de caractérisation pourrait être utilisée pour obtenir des informations sur d'autres processus de batterie.

Objectif : 1000 cycles pour 150 000 miles

Les packs de batteries pour véhicules électriques doivent résister à au moins 1000 cycles pendant une durée de vie projetée de 150 000 miles. Bien que les batteries à état solide avec électrodes en lithium métal puissent offrir plus d'énergie pour une taille de batterie donnée, cet avantage ne surmontera pas la technologie existante à moins qu'elles puissent fournir des durées de vie comparables.