Grundlæggende mekanik hjælper med at øge batteriets lagerkapacitet og levetid

Batterier er meget udbredt i daglige applikationer som at drive elektriske køretøjer, elektroniske gadgets og er lovende kandidater til bæredygtig energilagring. Imidlertid, som du sandsynligvis har bemærket med daglig opladning af batterier, deres funktionalitet falder over tid. Til sidst, vi skal udskifte disse batterier, hvilket ikke kun er dyrt, men også udtømmer de sjældne jordarters grundstoffer, der bruges til at fremstille dem.

En nøglefaktor i reduktion af batterilevetid er forringelsen af ​​et batteris strukturelle integritet. For at modvirke strukturel nedbrydning, et team af forskere fra USC Viterbi School of Engineering håber at introducere "stretch" i batterimaterialer, så de kan cykles gentagne gange uden strukturel træthed. Denne forskning blev ledet af Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan assisterende professor i rumfart og maskinteknik, og USC Viterbi ph.d.-kandidat, Delin Zhang, samt Brown University-forskere fra professor Brian Sheldons gruppe. Deres arbejde blev offentliggjort i Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Et typisk batteri arbejder gennem en gentagen cyklus med indsættelse og udtrækning af Li-ioner fra elektroder, sagde Zhang. Denne indsættelse og ekstraktion udvider og komprimerer elektrodegitrene. Disse volumenforskydninger skaber mikrorevner, brud og defekter over tid.

"Disse mikrorevner og brud i batterimaterialet vil føre til strukturel nedbrydning, hvilket i sidste ende vil reducere batterikapaciteten, " sagde Zhang. "I sidste ende, batteriet skal udskiftes med et nyt."

For at modvirke dette, Zhang, der studerer interkalationsmaterialer - en klasse af materialer, der bruges som elektroder i lithium-ion-batterier - strækker disse interkalationselektroder før tid. Denne ændring i den indledende stresstilstand regulerer fasetransformationsspændingerne og gør således elektroderne mere modstandsdygtige over for brud eller amorfisering (mister deres krystallinske egenskaber).

Bredere spænding, større kapacitet

Fasetransformationer, når batterimaterialerne skifter fysisk form, resultat af den cyklus af ekspansion og kompression, der følger med daglig opladning og brug. Zhang sagde:"Disse fasetransformationer kan gøre elektroderne mere modtagelige for strukturel nedbrydning, især når processen gentages så ofte."

Reversibilitet af faser er nøglen til at tillade batterier at opretholde effektiv funktionalitet over tid. Renuka-Balakrishna sagde:"Reversibiliteten forbedres mest ved at sikre, at materialet forbliver i sin krystallinske form. Ved visse spændinger, når materialerne går fra en fase til en anden, de kan blive pulveragtige, hvilket ikke er ideelt til effektiv drift af batteriet."

Forskerne spurgte således sig selv:"Er der en måde at holde batterimaterialer i deres krystallinske form, mens de cykler frem og tilbage mellem energilandskaber?" Svaret:ændring af materialernes struktur ved at indføre en indledende spændingstilstand.

Zhang sagde:"Ved at strække elektroderne før opladning og afladning, vi ændrer det energilandskab, som en elektroder går over fra ladet til afladet tilstand. Denne indledende belastning giver os mulighed for at reducere energibarrieren for disse transformationer og forhindre skadelige gitterdeformationer, der fører til materialefejl. Denne ændring i energilandskabet hjælper med at forhindre mikrorevner og brud, beskytter batteriets bæredygtighed og energilagringskapacitet."

En ekstra fordel, Renuka-Balakrishna sagde, er, at ved at strække elektroderne, batteriet kan også fungere i et bredere spændingsvindue, gør den mere effektiv i sin energilagringskapacitet.

Udfordringer ved moderne energilagring

En af de vigtigste bekymringer for energilagringssamfundet, Renuka-Balakrishna sagde, bevæger sig væk fra brændbare flydende elektrolytter, der typisk bruges i batterier, og putter dem i faste materialer. "Dette introducerer nye udfordringer, " hun sagde.

Faste genstande, som vi alle ved, kan forværres over tid ved gentagne gange stress. Når først en revne er introduceret, de to sider af en overflade vil miste kontakten. I tilfælde af batteriet, det skaber et simpelt mekanikproblem; uden forbindelse, det er svært at transportere ioner gennem materialet, sagde Renuka-Balakrishna.

Tilgange som den, Zhang identificerede, er et forsøg på at bevæge sig fremad mod sikrere, mere bæredygtige batterier, mens du tackler denne mekaniske udfordring. Det nye ved denne tilgang er i stedet for at finde et nyt materiale til at forbedre batterilevetiden, du kan forbedre et eksisterende materiales levetid ved at introducere grundlæggende mekanikkoncepter for at forbedre deres levetid, sagde forskerne.

"Mekanik har ikke altid været en integreret del af udviklingen af ​​batterier, " sagde Renuka-Balakrishna. "Men nu kan ingeniører lege med denne teori/værktøj, Zhang har skabt og arbejde for at udvikle batterimaterialernes levetid."

Forbedring af batteriernes levetid vil gavne brugere af elektronisk udstyr og elektriske køretøjer, hvilket muliggør længere brug af enheder og minimerer batteriudskiftning, sagde Zhang. I betragtning af prisen på et lithium-ion batteri, det kan også spare brugere for mange penge over tid.

Mere end det, Zhang sagde, at bæredygtig energilagring er en vigtig del af at reducere skadelige drivhusgasemissioner og reducere batterispild, og vi håber med vores arbejde, at vi åbner en ny forskningslinje for at forbedre materialets reversibilitet.