Tynd radiofrekvensdetektor overvåger kapaciteten af ​​kommercielt lithium-ion batteri

En ny papirtynd radiofrekvensdetektor designet til at fungere inde i et lithium-ion-batteri giver information om batteriets helbred, mens det oplades og aflades.

"Det kunne gøre det muligt for forskere at kontrollere et batteris funktion og kapacitet efter mange års opbevaring uden at ødelægge det, sagde Erik Sorte, en fysiker ved Sandia National Laboratories.

Arbejdet, finansieret af Sandias Laboratory Directed Research and Development-program vil hjælpe forskere med bedre at forstå og karakterisere batterier for at forbedre dem til vedvarende lagring og nationale sikkerhedsapplikationer. Producenter kan også bruge denne en dag til at køre diagnostiske tests, sagde Sorte.

Magnetisk resonansdetektor flyttet inde i batteriet

Som et lithium-ion batteri driver en elektronisk enhed og derefter genoplades, kemiske og fysiske ændringer sker indeni, der reducerer dens funktion over tid. Molekylære sideprodukter dannes, når lithiumioner sætter sig ind i og forlader hver elektrode. Disse molekyler kan forbruge det aktive lithium og reducere et batteris kapacitet. Elektroder kan også gennemgå uønskede kemiske ændringer, reducere deres evne til at forblive opladet. Mikroskopiske pigge af lithium kan vokse fra en elektrodeoverflade, forbruge vigtige ladningsbærende ioner og skabe potentielt brandfarlige forhold.

Mens forskere arbejder på at forbedre ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier, de justerer et batteris kemiske komponenter og kredser systemet gennem mange op- og afladninger. Derefter åbner de batteriet og undersøger materialerne under et mikroskop for at se, hvordan deres struktur og sammensætning har ændret sig.

Forskere kunne få den information meget hurtigere, hvis de kunne overvåge forholdene inde i et batteri, mens det oplades og aflades. En måde, de i øjeblikket gør det på, er med en teknik, der bruger de samme principper som magnetisk resonansbilleddannelse på hospitaler. Denne metode giver ledetråde til et molekyles struktur og miljø ved at se på signaler fra et specifikt element i det molekyle.

Sådan fungerer det:Først instrumentet sender en puls af radiobølger, der er skræddersyet til at interagere med en specifik atomkerne i elementer som lithium, svovl eller brint. Når en kerne sætter sig tilbage til sin oprindelige tilstand, det afgiver et signal, der ændrer sig forudsigeligt afhængigt af et atoms omgivelser.

Forskere har brugt denne teknik til at se på kemiske ændringer i batterier før, men de var nødt til at ændre batterikomponenter på måder, der ikke findes i fungerende batterier. Denne nye detektor, skabt af Sorte sammen med Sandia-materialeforsker Todd Alam og andre kolleger, er designet til at fungere i batterier, da de er lavet til daglig brug. Det er tyndere end et ark papir og kan laves til at passe ind i et batteri af enhver form.

Forskerne har allerede smuttet det ind i et kommercielt tilgængeligt batteri. De forestiller sig en dag at indsætte detektorstrimlen i et batteri under fremstillingen, så det indeholder allerede den komponent, der er nødvendig for et hurtigt sundhedstjek.

Specifikke signaler fra molekylære komponenter indikerer ladning, kemiske ændringer

Ved at bruge denne detektor, Sorte og hans kolleger kan se unikke signaler for lithium-ioner, når de interagerer med materialet i hver elektrode. Dette sætter dem i stand til at spore, hvor meget opladning et batteri holder gennem gentagne opladnings- og afladningscyklusser; faldende kapacitet er et tegn på, at et batteri er ved at dø.

Forskerne kan også se unikke signaler fra molekyler produceret under sidereaktioner, mens et batteri fungerer. De kan overvåge disse molekylære sideprodukter og derefter justere et batteris kemiske komponenter for at reducere uønskede reaktioner. Disse ændringer kan hjælpe dem med at forbedre batterierne, så de har egenskaber, der er nødvendige for applikationer såsom storskala lagring af vedvarende energi. Producenter kunne også bruge denne enhed en dag til at køre diagnostiske tests på batterier, sagde Sorte.

Den samme tilgang og detektorstrimmel kunne også bruges til at se på de indre funktioner af vanadium-flow-batterier og andre kemier, han tilføjede. Sorte arbejder også på at overvåge batteriets indre levetid ved hjælp af elektroderne, der allerede er der, så der ikke er behov for yderligere komponenter.