Tomografia por Raio-X Revela Dinâmica Carga-Descarga em Tempo Real em Baterias de Estado Sólido

Baterias de íon-lítio agora em uso generalizado para tudo, desde eletrônicos móveis a veículos elétricos, dependem de um eletrólito líquido para transportar íons de ida e volta entre eletrodos dentro da bateria durante ciclos de carga e descarga. O líquido reveste uniformemente os eletrodos, permitindo livre movimento dos íons.

Tecnologia de Bateria de Estado Sólido e Desafios

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 de lítio dos eletrodos pode criar vazios nas interfaces que causam problemas de confiabilidade, limitando por quanto tempo as baterias podem operar.

Tomografia por Raio-X Sincrotrão Operando

Usando tomografia por raio-X, pesquisadores observaram a evolução interna dos materiais dentro de baterias de lítio de estado sólido enquanto eram carregadas e descarregadas. Informação tridimensional detalhada da pesquisa pode ajudar a melhorar a confiabilidade e o desempenho das baterias, que usam materiais sólidos para substituir os eletrólitos líquidos inflamáveis em baterias de íon-lítio existentes.

Imageamento de microtomografia computada por raio-X sincrotrão operando revelou como as mudanças dinâmicas de materiais de eletrodos nas interfaces lítio/eletrólito-sólido determinam o comportamento de baterias de estado sólido. Os pesquisadores descobriram que a operação da bateria causou a formação de vazios na interface, que criaram uma perda de contato que foi a causa primária de falha nas células.

Células de Teste Especiais e Imageamento 3D ao Longo do Tempo

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 tirou imagens de diferentes direções; as imagens foram reconstruídas usando algoritmos de computador para fornecer imagens 3D das baterias ao longo do tempo.

Desafios de Imageamento do Lítio e Trabalhos Futuros

Como o lítio é tão leve, imageá-lo com raios-X pode ser desafiador e exigiu um design especial das células de teste da bateria. A tecnologia usada é similar à usada para tomografias computadorizadas (TC) médicas. Devido a limitações nos testes, os pesquisadores só puderam observar a estrutura das baterias através de um único ciclo. Em trabalhos futuros, gostariam de ver o que acontece em ciclos adicionais e se a estrutura de alguma forma se adapta à criação e preenchimento de vazios. Os resultados provavelmente se aplicariam a outras formulações de eletrólito e a técnica de caracterização poderia ser usada para obter informação sobre outros processos de bateria.

Requisito de 1.000 Ciclos para Veículos Elétricos

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