En teknik til at guide udviklingen af ​​hurtigere og længerevarende næste generations batterier

Rene og effektive energilagringsteknologier er afgørende for at etablere en vedvarende energiinfrastruktur. Lithium-ion-batterier er allerede dominerende inden for personlige elektroniske enheder og er lovende kandidater til pålidelig lagring på nettet og elektriske køretøjer. Der er dog behov for yderligere udvikling for at forbedre deres opladningshastigheder og brugbare levetider.

For at hjælpe med udviklingen af ​​sådanne hurtigere opladede og længerevarende batterier skal forskerne være i stand til at forstå de processer, der foregår inde i et driftsbatteri, for at identificere begrænsningerne for batteriets ydeevne. I øjeblikket kræver visualisering af de aktive batterimaterialer, mens de virker, sofistikerede synkrotronrøntgen- eller elektronmikroskopiteknikker, hvilket kan være vanskeligt og dyrt, og som ofte ikke kan afbildes hurtigt nok til at fange de hurtige ændringer, der sker i hurtigtopladede elektrodematerialer. Som et resultat heraf forbliver iondynamikken på længdeskalaen af ​​individuelle aktive partikler og ved kommercielt relevante hurtige opladningshastigheder stort set uudforsket.

Forskere ved University of Cambridge har overvundet dette problem ved at udvikle en billig lab-baseret optisk mikroskopiteknik til at studere lithium-ion-batterier. De undersøgte individuelle partikler af Nb₁₄ W₃ O₄₄ , som er blandt de hurtigst opladede anodematerialer til dato. Synligt lys sendes ind i batteriet gennem et lille glasvindue, så forskerne kan se den dynamiske proces i de aktive partikler i realtid under realistiske ikke-ligevægtsforhold. Dette afslørede front-lignende lithium-koncentrationsgradienter, der bevægede sig gennem de individuelle aktive partikler, hvilket resulterede i intern belastning, som fik nogle partikler til at frakturere.

Partikelbrud er et problem for batterier, da det kan føre til elektrisk afbrydelse af fragmenterne, hvilket reducerer batteriets lagerkapacitet. "Sådanne spontane hændelser har alvorlige konsekvenser for batteriet, men kunne aldrig observeres i realtid før nu," siger medforfatter Dr. Christoph Schnedermann, fra Cambridges Cavendish Laboratory.

Den optiske mikroskopi-tekniks højkapacitetsevner gjorde det muligt for forskerne at analysere en stor population af partikler, hvilket afslørede, at partikelrevner er mere almindeligt med højere hastigheder af delithiation og i længere partikler. "Disse resultater giver direkte anvendelige designprincipper til at reducere partikelbrud og kapacitetsfading i denne klasse af materialer," siger førsteforfatter Alice Merryweather, en Ph.D. kandidat ved Cambridges Cavendish Laboratory and Chemistry Department.

Fremadrettet vil de vigtigste fordele ved metoden – herunder hurtig dataindsamling, enkeltpartikelopløsning og høj gennemløbskapacitet – muliggøre yderligere udforskning af, hvad der sker, når batterier svigter, og hvordan man forhindrer det. Teknikken kan anvendes til at studere næsten enhver type batterimateriale, hvilket gør det til en vigtig brik i puslespillet i udviklingen af ​​næste generations batterier.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Materials . + Udforsk yderligere

Billig billedteknik med lave omkostninger viser, hvordan smartphone-batterier kan oplades på få minutter