Tomografia de raios-X permite que pesquisadores observem baterias de estado sólido carregando e descarregando

As baterias de íon de lítio agora amplamente utilizadas para tudo, desde eletrônicos móveis a veículos elétricos, dependem de um eletrólito líquido para transportar íons entre os eletrodos dentro da bateria durante os ciclos de carga e descarga. O líquido reveste uniformemente os eletrodos, permitindo o livre movimento dos íons.

A tecnologia de bateria de estado sólido em rápida evolução usa um eletrólito sólido, que deve ajudar a aumentar a densidade de energia e melhorar a segurança de futuras baterias. Mas a remoção do lítio dos eletrodos pode criar vazios nas interfaces que causam problemas de confiabilidade, limitando o tempo de operação das baterias.

Usando tomografia de raios-X, os pesquisadores observaram a evolução interna dos materiais dentro das baterias de lítio de estado sólido à medida que eram carregadas e descarregadas. Informações tridimensionais detalhadas da pesquisa podem ajudar a melhorar a confiabilidade e o desempenho das baterias, que usam materiais sólidos para substituir os eletrólitos líquidos inflamáveis ​​nas baterias de íons de lítio existentes.

As imagens de microtomografia computadorizada de raios X síncrotron operando revelaram como as mudanças dinâmicas dos materiais dos eletrodos nas interfaces lítio/eletrólito sólido determinam o comportamento das baterias de estado sólido. Os pesquisadores descobriram que a operação da bateria causou a formação de vazios na interface, o que criou uma perda de contato que foi a principal causa de falha nas células.

A equipe construiu células de teste especiais com cerca de dois milímetros de largura e estudou as mudanças na estrutura da bateria durante um período de cinco dias. O instrumento de teste obteve imagens de diferentes direções; as imagens foram reconstruídas usando algoritmos de computador para fornecer imagens 3D das baterias ao longo do tempo.

Como o lítio é muito leve, a imagem com raios-X pode ser um desafio e requer um design especial das células da bateria de teste. A tecnologia utilizada é semelhante ao que é usado para tomografia computadorizada (TC) médica. Devido a limitações nos testes, os pesquisadores só conseguiram observar a estrutura das baterias por meio de um único ciclo. Em trabalhos futuros, eles gostariam de ver o que acontece ao longo do ciclo adicional e se a estrutura de alguma forma se adapta à criação e preenchimento de vazios. Os resultados provavelmente se aplicariam a outras formulações eletrolíticas e a técnica de caracterização poderia ser usada para obter informações sobre outros processos de bateria.

As baterias para veículos elétricos devem suportar pelo menos 1.000 ciclos durante uma vida útil projetada de 150.000 milhas. Embora as baterias de estado sólido com eletrodos de metal de lítio possam oferecer mais energia para uma bateria de determinado tamanho, essa vantagem não superará a tecnologia existente, a menos que possam fornecer vidas úteis comparáveis.