Den mest komplette undersøgelse af batterifejl ser lyset

Et internationalt team af forskere har netop offentliggjort i Avancerede energimaterialer den bredeste undersøgelse af, hvad der sker under batterisvigt, fokus på de forskellige dele af et batteri på samme tid. ESRF's rolle, den europæiske synkrotron, i Frankrig, var afgørende for dens succes.

Vi har alle oplevet det:du har ladet din mobiltelefon, og efter en kort periode brug af den, batteriet går usædvanligt hurtigt ned. Forbrugerelektronik ser ud til at miste strøm ved ujævne hastigheder, og dette skyldes heterogeniteten i batterier. Når telefonen oplader, det øverste lag oplader først og det nederste lag oplader senere. Mobiltelefonen angiver muligvis, at den er færdig, når det øverste overfladeniveau er færdigt med opladning, men bunden vil være underopladet. Hvis du bruger det nederste lag som dit fingeraftryk, det øverste lag vil blive overopladet og vil have sikkerhedsproblemer.

Sandheden er, batterier er sammensat af mange forskellige dele, der opfører sig forskelligt. Fast polymer hjælper med at holde partikler sammen, kulstoftilsætningsstoffer giver elektrisk forbindelse, og så er der de aktive batteripartikler, der lagrer og frigiver energien.

Et internationalt hold af forskere fra ESRF, SLAC, Virginia Tech og Purdue University ønskede at forstå og kvantitativt definere, hvad der fører til svigt af lithium-ion-batterier. Indtil da, undersøgelser havde enten zoomet ind på individuelle områder eller partikler i katoden under fejl eller zoomet ud for at se på celleniveauadfærd uden at tilbyde tilstrækkelige mikroskopiske detaljer. Nu giver denne undersøgelse det første globale billede med en hidtil uset mængde af mikroskopiske strukturelle detaljer for at supplere de eksisterende undersøgelser i batterilitteraturen.

Hvis du har en perfekt elektrode, hver enkelt partikel bør opføre sig på samme måde. Imidlertid, elektroder er meget heterogene og indeholder millioner af partikler. Der er ingen måde at sikre, at hver partikel opfører sig på samme måde på samme tid.

For at overkomme denne udfordring, forskergruppen stolede stærkt på synkrotronrøntgenmetoderne og brugte to synkrotronfaciliteter til at studere elektroder i batterier, ESRF, den europæiske synkrotron i Grenoble, Frankrig og Stanfords SLAC National Accelerator Laboratory, i USA. "ESRF gav os mulighed for at studere større mængder batteripartikler ved højere opløsning, " siger Feng Lin, adjunkt ved Virginia Tech. Supplerende eksperimenter, især nano-opløsning røntgen spektro-mikroskopi, fandt sted på SLAC.

"Nano-tomografi med hård røntgenfasekontrast viste os hver partikel med en bemærkelsesværdig opløsning på tværs af hele elektrodetykkelsen. Dette gjorde det muligt for os at spore omfanget af skader i hver af dem efter brug af batteriet. Omkring halvdelen af ​​dataene fra papiret kom fra ESRF, "forklarer Yang Yang, videnskabsmand ved ESRF og første forfatter af papiret.

"Før eksperimenterne vidste vi ikke, at vi kunne studere disse mange partikler på én gang. Billeddannelse af individuelle aktive batteripartikler har været fokus på dette felt. For at lave et bedre batteri, du skal maksimere bidraget fra hver enkelt partikel, " siger Yijin Liu, videnskabsmand ved SLAC.

Virginia Tech -laboratoriet fremstillede materialer og batterier, som derefter blev testet for deres opladnings- og nedbrydningsadfærd hos ESRF og SLAC. Kejie Zhao, assisterende professor ved Purdue University, ledet beregningsmodelleringsindsatsen i dette projekt.

Resultaterne fra denne publikation tilbyder en diagnostisk metode til partiklernes udnyttelse og fading i batterier. "Dette kan forbedre, hvordan industrien designer elektroder til hurtigopladning af batterier, " slutter Yang.