Forskere tager røntgenbilleder af elektriske køretøjers batterier, efterhånden som de nedbrydes over tid

Canadian Light Source (CLS) forsker Toby Bond bruger røntgenstråler til at hjælpe med at konstruere kraftfulde elektriske køretøjsbatterier med længere levetid. Hans forskning, offentliggjort i Journal of the Electrochemical Society , viser, hvordan batteriernes opladnings-/afladningscyklusser forårsager fysisk skade, der i sidste ende fører til reduceret energilagring. Dette nye arbejde peger på en sammenhæng mellem revner, der dannes i batterimaterialet og udtømning af vitale væsker, der bærer ladningen.

Bond bruger BMIT-faciliteten ved den canadiske lyskilde ved University of Saskatchewan til at producere detaljerede CT-scanninger af indersiden af ​​batterier. Han arbejder sammen med Dr. Jeff Dahn ved Dalhousie University og har specialiseret sig i batterier til elektriske køretøjer, hvor forskningskravet er at pakke så meget energi som muligt ind i en letvægtsenhed.

"En stor ulempe ved at pakke mere energi er, at jo mere energi du pakker i, jo hurtigere vil batteriet nedbrydes," siger Bond.

I lithium-ion-batterier skyldes det, at opladning fysisk tvinger lithium-ioner mellem andre atomer i elektrodematerialet og skubber dem fra hinanden. Tilføjelse af mere ladning forårsager mere vækst i materialerne, som skrumper tilbage, når lithium-ionerne forlader. I løbet af mange cyklusser af denne vækst og krympning begynder der at dannes mikrorevner i materialet, hvilket langsomt reducerer dets evne til at holde en ladning.

"Det kan i sidste ende få materialerne i batteriet til at smuldre indefra og ud. Hvis det bliver slemt nok, kan det få dele af batteriet til rent faktisk at skalle af inde i sig selv," siger Bond. "Og hvis det forårsager omfattende skader inde i batteriet, kan det også blive et sikkerhedsproblem."

At studere dette problem, og hvor effektive belægninger og andre behandlinger er til at stoppe det, har været vigtigt på området i lang tid. Traditionelt er de revner, der dannes i et batteri, blevet undersøgt ved at skille batteriet ad og se på individuelle partikler under et elektronmikroskop. Dette ødelægger batteriet, så det tillader ikke forskere at bevare den større struktur og se, hvilke andre effekter denne revnedannelse kan have på resten af ​​batteriet.

Ved at bruge røntgenbilleder på CLS siger Bond, at forskere kan studere disse effekter i sammenhæng og se, hvordan revner forårsager ændringer i resten af ​​batteriet. I denne undersøgelse opdagede forskerne, at da mikrorevnerne i batteriet blev værre, blev væsker i cellen suget op i det ekstra mellemrum mellem revnerne, hvilket muligvis ikke efterlader nok væske til at gå rundt.

"Dette er første gang nogen har været i stand til at fange alle disse effekter, der sker sammen i et fungerende batteri," siger Bond. "Denne udtømning af flydende elektrolyt kan forårsage alvorlige problemer, da enhver del af batteriet, der ikke får nok væske, i det væsentlige holder op med at fungere."

I denne undersøgelse undersøgte Bond og kolleger batterier, der var blevet kontinuerligt opladet og afladet til forskellige niveauer over år sammen med ellers identiske batterier, der slet ikke var blevet brugt. De 3D-røntgenscanninger, de indsamlede ved hjælp af BMITs klare, fokuserede lys, gjorde det muligt for dem at se præcist, hvordan forskellige materialer blev påvirket af brugen, både i mikroskopisk skala og gennem hele batteriet.

En praktisk takeaway? Holdet fandt ud af, at afladning af batteriet en lille mængde forårsagede mindre forringelse end at aflade batteriet hele vejen. Dette skyldes sandsynligvis, at en mindre ændring i ladningen forårsager mindre fysisk belastning af batterielektrodematerialerne over tid. Denne effekt er vigtig at forstå for nye applikationer såsom langdistancetransport, elektriske fly og brug af parkerede elektriske køretøjer til at lagre og levere energi til elnettet. Disse scenarier kræver ofte, at du bruger mere af batteriets fulde kapacitet, før det genoplades.

"Når vi begynder at erstatte flere og flere forbrændingsdrevne køretøjer med elektriske køretøjer, er det virkelig vigtigt at forstå, hvordan batterier vil opføre sig under forskellige forhold," siger Bond. "Det er meget spændende at arbejde med disse problemer, og vi har virkelig brug for værktøjer som synkrotroner for at forstå de fine detaljer om, hvad der foregår inde i batteriet, når vi afprøver nye tilgange." + Udforsk yderligere

Forskere identificerer en anden grund til, at batterier ikke kan oplades på få minutter