Hvad forårsager nedbrydning af genopladeligt batteri? Afhænger af, hvor mange gange du har opkrævet den

Genopladelige lithium-ion-batterier holder ikke evigt - efter nok cyklusser med opladning og genopladning vil de til sidst gå kaput, så forskere leder konstant efter måder at presse lidt mere liv ud af deres batteridesign.

Nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og kolleger fra Purdue University, Virginia Tech og European Synchrotron Radiation Facility opdaget, at faktorerne bag batterinedfald faktisk ændrer sig over tid. Tidligt synes henfald at være drevet af egenskaberne af individuelle elektrodepartikler, men efter flere dusin opladningscyklusser er det, hvordan disse partikler er sat sammen, der betyder mere.

"De grundlæggende byggesten er disse partikler, der udgør batterielektroden, men når du zoomer ud, interagerer disse partikler med hinanden," sagde SLAC-forsker Yijin Liu, en forsker ved laboratoriets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource og en seniorforfatter på nyt papir. Derfor, "hvis du vil bygge et bedre batteri, skal du se på, hvordan du sætter partiklerne sammen."

Se skoven for træerne

Den nye undersøgelse, offentliggjort 29. april i Science , bygger på tidligere forskning, hvor Liu og kolleger brugte computervisionsteknikker til at studere, hvordan de individuelle partikler, der udgør en genopladelig batterielektrode, går i stykker over tid. Målet denne gang var at studere ikke kun individuelle partikler, men også måden, de arbejder sammen på for at forlænge - eller nedbryde - batteriets levetid.

Keije Zhao, en Purdue maskiningeniørprofessor, som sammen med Liu og Virginia Tech kemiprofessor Feng Lin var seniorforfatter, sammenlignede problemet med folk, der arbejder i grupper. "Batteripartikler er som mennesker - vi starter alle med at gå vores egen vej," sagde Zhao "Men til sidst støder vi på andre mennesker, og vi ender i grupper, der går i samme retning. For at forstå topeffektivitet skal vi studere begge dele. partiklernes individuelle adfærd, og hvordan disse partikler opfører sig i grupper."

For at udforske den idé gik de første forfattere Jizhou Li, en SSRL-postdoc og Nikhil Sharma, en Purdue-studerende, sammen med Liu, Lin og Zhao og andre kolleger for at studere batterikatoder med røntgenstråler. De brugte røntgentomografi til at rekonstruere tredimensionelle billeder af katoderne, efter at de havde gennemgået enten 10 eller 50 opladningscyklusser. De skar disse 3-D billeder op i en række 2-D skiver og brugte computervisionsmetoder til at identificere partikler.

Et batteris levetid

I sidste ende identificerede de mere end 2.000 individuelle partikler, for hvilke de ikke kun beregnede individuelle partikeltræk såsom størrelse, form og overfladeruhed, men også mere globale træk, såsom hvor ofte partikler kom i direkte kontakt med hinanden, og hvor varierede partiklernes former var.

Dernæst så de på, hvordan hver af disse egenskaber bidrog til partiklernes nedbrydning, og et slående mønster opstod. Efter 10 opladningscyklusser var de største faktorer individuelle partiklers egenskaber, herunder hvor sfæriske partiklerne var og forholdet mellem partikelvolumen og overfladeareal. Efter 50 cyklusser drev par- og gruppeattributter – såsom hvor langt fra hinanden to partikler var, hvor forskellige deres former var, og om mere aflange, fodboldformede partikler var orienteret på samme måde – dog partikelnedbrydning.

"Det er ikke længere kun selve partiklen. Det er partikel-partikel-interaktioner", der betyder noget, sagde Liu. Det er vigtigt, sagde han, fordi det betyder, at producenterne kan udvikle teknikker til at kontrollere sådanne egenskaber. For eksempel kan de muligvis bruge magnetiske eller elektriske felter til at justere aflange partikler med hinanden, hvilket de nye resultater tyder på vil resultere i længere batterilevetid.

Og, co-senior forfatter og Virginia Tech kemiker Feng Lin sagde, resultaterne kunne anvendes ud over detaljerne i den nuværende forskning. "Denne undersøgelse kaster virkelig lys over, hvordan vi kan designe og fremstille batterielektroder for at opnå lang levetid for batterier," sagde Lin. "Vi er glade for at implementere forståelsen til næste generation, billige hurtigopladningsbatterier." + Udforsk yderligere

Undersøgelse undersøger nøglerne til at udvikle bedre batterier