Team onderzoekt operationele limieten in solid-state batterijen om het rijbereik van elektrische voertuigen te verbeteren

Er is een enorme vaart in de richting van de acceptatie van elektrische voertuigen op batterijen, voornamelijk omdat de prestaties de eigenschappen van traditionele auto’s ontmoeten of overtreffen. Consumenten willen elektrische voertuigen met een vergelijkbaar rijbereik (energiedichtheid) en laadstijlen en -tijden (vermogensdichtheid) als voertuigen met benzinemotor.

“Een manier om de energiedichtheid van de batterij, of het rijbereik, te verbeteren, is om over te stappen op solid-state batterijen. Solid-state batterijen elimineren alle vloeistoffen en hebben dus een kleinere vormfactor en kunnen mogelijk energierijke alkalimetalen integreren”, aldus Kelsey Hatzell, assistent-professor werktuigbouwkunde en een Flowers Family Faculty Fellow in Engineering.

Onlangs heeft een samenwerking tussen onderzoekers van Vanderbilt, de University of Pennsylvania, de Advanced Photon Source en Toyota Research Institute North America, een afdeling van Toyota Motor North America R&D gevestigd in Ann Arbor, Michigan, gewerkt aan het onderzoeken van operationele limieten en faalmechanismen in een familie van solid-state batterijen op basis van thiofosfaatmaterialen. De paper – “In situ Investigation of Chemomechanical Effects in Thiophosphate Solid Electrolytes” – werd gepubliceerd in Cell Press journal Er toe doen.

Het team gebruikte geavanceerde in situ synchrotron röntgentomografie en in situ transmissie-elektronenmicroscopie om solid-state batterijen te onderzoeken terwijl lithiumionen door de vaste elektrolyt werden gekeerd. Het werk identificeerde preferentiële ionenbeweging, bekend als huidige focussering, als de belangrijkste routes voor breuk in deze solid-state systemen.

Dit werk biedt een basis voor het begrijpen van materiaalontwerp en systeemtechnische benaderingen die bedrijfsregimes met hoge snelheid of hoge vermogensdichtheid kunnen vergemakkelijken. Om ervoor te zorgen dat batterijen de huidige stand van de techniek volledig verdringen, zijn materialen gebruikt die lange afstanden kunnen overbruggen, snel opladen en veiligheid essentieel.

Het werk werd mede geleid door Marm Dixit, een Ph.D. kandidaat in werktuigbouwkunde, en Nik Singh, een senior wetenschapper bij de afdeling Materiaalonderzoek van het Toyota Research Institute of North America. Deze samenwerking is het resultaat van Hatzell’s ECS / Toyota Fellowship en een samenwerking met Tim Arthur, hoofdwetenschapper bij de afdeling Materiaalonderzoek bij TRINA.

“Om batterijen te realiseren die langer kunnen rijden op een enkele lading, moeten we ze ontwerpen over trapsgewijze lengteschalen – van nanometerniveaus tot mesoschaal. Dit werk was erg spannend omdat we de batterij over deze enorme lengteschalen onderzoeken met geavanceerde karakteriseringsmethoden en helpen bij het identificeren van wegen naar betere batterijen, “zei Marm.