X線トモグラフィーにより、研究者は全固体電池の充電と放電を見ることができます
現在、モバイル電子機器から電気自動車まであらゆるものに広く使用されているリチウムイオン電池は、充電および放電サイクル中に電池内の電極間でイオンを前後に運ぶために液体電解質に依存しています。液体が電極を均一にコーティングし、イオンの自由な動きを可能にします。
急速に進化する全固体電池技術は、代わりに固体電解質を使用します。これは、エネルギー密度を高め、将来の電池の安全性を向上させるのに役立つはずです。ただし、電極からリチウムを除去すると、インターフェースにボイドが発生し、信頼性の問題が発生し、バッテリーの動作時間が制限される可能性があります。
X線トモグラフィーを使用して、研究者は、充電および放電された固体リチウム電池内の材料の内部進化を観察しました。研究から得られた詳細な3次元情報は、既存のリチウムイオン電池の可燃性液体電解質の代わりに固体材料を使用する電池の信頼性と性能を向上させるのに役立つ可能性があります。
OperandoシンクロトロンX線コンピューターマイクロトモグラフィーイメージングは、リチウム/固体電解質界面での電極材料の動的変化が全固体電池の挙動をどのように決定するかを明らかにしました。研究者は、バッテリーの動作によりインターフェースにボイドが形成され、それがセルの故障の主な原因である接触の喪失を引き起こしたことを発見しました。
チームは、幅約2ミリメートルの特別なテストセルを作成し、5日間のバッテリー構造の変化を調査しました。テスト機器はさまざまな方向から画像を撮影しました。画像は、コンピュータアルゴリズムを使用して再構築され、時間の経過に伴う電池の3D画像を提供しました。
リチウムは非常に軽いため、X線でのイメージングは困難な場合があり、テストバッテリーセルの特別な設計が必要になります。使用される技術は、医療用コンピューター断層撮影（CT）スキャンに使用されるものと似ています。テストの制限のため、研究者は単一のサイクルを通してのみバッテリーの構造を観察することができました。将来の作業では、追加のサイクルで何が起こるか、構造がボイドの作成と充填に何らかの形で適応するかどうかを確認したいと考えています。結果は他の電解質配合に適用される可能性が高く、特性評価手法を使用して他のバッテリープロセスに関する情報を取得できます。
電気自動車用のバッテリーパックは、予測される150,000マイルの寿命の間に少なくとも1,000サイクルに耐える必要があります。リチウム金属電極を備えた全固体電池は、特定のサイズの電池に対してより多くのエネルギーを提供できますが、同等の寿命を提供できない限り、その利点は既存の技術を克服しません。
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