Det mest detaljerede røntgenbillede af batterier har endnu ikke afsløret, hvorfor de stadig ikke er gode nok

Elbiler er afhængige af den samme lithium-ion batteriteknologi, som findes i smartphones, bærbare computere og stort set alt elektronisk.

Men teknologien har været ekstremt langsom til at forbedre. Mens elbiler mere end kan klare den gennemsnitlige amerikaners daglige pendling, den gennemsnitlige gasdrevne bil kan stadig nå længere på en fuld tank benzin, ladestandere er få, og det tager væsentlig længere tid at oplade et batteri end at fylde en tank.

For at forbedre opladningskapaciteten i lithium-ion-batterier og øge brugen af ​​elbiler, industrien bliver nødt til at vende tilbage til den grundlæggende videnskab om, hvordan batterier slides over tid.

Et team af forskere med flere institutter har udviklet den hidtil mest omfattende visning af lithium-ion batterielektroder, hvor de fleste skader typisk opstår ved at oplade dem gentagne gange. Producenter kan bruge disse oplysninger til at designe batterier til din smartphone eller bil, der både er mere pålidelige og holder længere, siger forskerne.

"Skabelsen af ​​viden er nogle gange mere værdifuld end at løse problemet med batterielektrodeskade, " sagde Kejie Zhao, en assisterende professor i maskinteknik ved Purdue University. "Før, folk havde ikke teknikkerne eller teorien til at forstå dette problem."

Teknikken, forklaret i journalerne Avancerede energimaterialer og Journal of the Mechanics and Physics of Solids , er i bund og grund et røntgenværktøj drevet af kunstig intelligens. Den kan automatisk scanne tusindvis af partikler i en lithium-ion batterielektrode på én gang – helt ned til de atomer, der selv udgør partiklerne – ved hjælp af maskinlæringsalgoritmer.

Indrømmet, der er faktisk millioner af partikler i en batterielektrode. Men forskere kan nu analysere dem mere grundigt, end de kunne før - og under de forskellige driftsforhold, som vi bruger kommercielle batterier i den virkelige verden, såsom deres spændingsvindue og hvor hurtigt de oplader.

"Det meste arbejde havde været fokuseret på enkeltpartikelniveauet og at bruge den analyse til at forstå hele batteriet. Men der er åbenbart et hul der; meget adskiller sig mellem en enkelt partikel i mikronskala og hele batteriet i meget større skala, " sagde Zhao, hvis laboratorium studerer den grundlæggende videnskab om, hvordan de mekaniske og elektrokemiske aspekter af et batteri påvirker hinanden.

Hver gang et batteri oplades, lithium-ioner bevæger sig frem og tilbage mellem en positiv elektrode og en negativ elektrode. Disse ioner interagerer med partikler i elektroder, får dem til at revne og nedbrydes over tid. Elektrodeskader reducerer et batteris ladekapacitet.

Det er svært for et batteri at have en høj kapacitet og være pålidelig på samme tid, siger Zhao. At øge et batteris kapacitet betyder ofte at ofre dets pålidelighed.

Forskernes arbejde med at kortlægge skader i lithium-ion-batterier startede med deres konstatering af, at nedbrydning i batteripartikler ikke sker på samme tid eller samme sted; nogle partikler svigter hurtigere end andre.

Men for virkelig at studere dette mere detaljeret, holdet havde brug for helt at skabe en ny teknik; eksisterende metoder ville ikke helt fange skader i batterielektroder.

Forskerne vendte sig mod massive, miles lange faciliteter kaldet synkrotroner på European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) og Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) fra SLAC National Laboratory. Disse faciliteter er vært for partikler, der rejser med næsten lysets hastighed, afgiver stråling, der bruges til at skabe billeder kaldet synkrotron røntgenstråler.

Virginia Tech-forskere fremstillede materialerne og batterierne til test – lige fra posecellebatterierne i smartphones til møntcellerne i ure. Forskere ved ESRF og SSRL skabte muligheden for at scanne så mange elektrodepartikler i disse batterier som muligt på én gang, lav derefter disse røntgenbilleder til analyse. Kort over partiklers revner og nedbrydning ved partiklernes overflader, kaldet "grænsefladeafbinding, " kan nu tjene som et referenceværktøj til at kende varierende grader af skade i batterielektroder.

For at forstå, hvordan disse revner påvirker batteriets ydeevne, Zhaos team hos Purdue udviklede teorier og beregningsværktøjer. De fandt, for eksempel, fordi partikler i nærheden af ​​hvor lithium-ioner pendler frem og tilbage, kaldet "separatoren, "er mere brugt end partikler nær bunden af ​​elektrodematerialer, de fejler hurtigere.

Denne variation i elektrodepartikelskader, eller "heterogen nedbrydning, " er mere alvorlig i tykkere elektroder og under hurtigopladningsforhold.

"Batteriers kapacitet afhænger ikke af, hvor mange partikler der er i batteriet; det, der betyder noget, er, hvordan lithium-ionerne bruges, " sagde Zhao.

Målet for projektet er ikke, at enhver forsker og industriaktør skal bruge selve teknikken – især i betragtning af, at der kun er en håndfuld synkrotroner i USA – men at disse grupper skal bruge den viden, der genereres fra teknikken. Forskerne planlægger at fortsætte med at bruge teknikken til at dokumentere, hvordan skader sker og påvirker ydeevnen i kommercielle batterier.