Ny billedbehandlingsfunktion afslører mulig nøgle til at forlænge batteriets levetid, kapacitet

En ny metode udviklet til at studere batterifejl peger på det potentielle næste skridt i at forlænge lithium-ion-batteriets levetid og kapacitet, åbne en vej til bredere brug af disse batterier i forbindelse med vedvarende energikilder

Lithium-ion-batterier driver mobile enheder og elbiler og hjælper med at lagre energi fra vedvarende, dog intermitterende energikilder som vind og sol. Men mange cyklusser med opladning og afladning fører til batterifejl og kapacitetstab, begrænse deres brugstid.

En ny røntgenteknik, der anvendes ved det amerikanske energiministeriums Advanced Photon Source, har afsløret overraskende dynamik i nanomekanikken ved batteridrift og foreslår en måde at afbøde batterifejl ved at minimere genereringen af ​​elastisk energi.

Lithium-ioner belaster materialet, når de bevæger sig mellem elektroderne og kan endda ændre dets struktur, som fører til defekter. Designs til mere elastiske elektroder vil være afhængige af grundlæggende forståelse af samspillet mellem lithiumioner og elektroder i et batteris struktur. Men indtil nu har forskere ikke været i stand til tilstrækkeligt at karakterisere enkelt nanopartikeladfærd i batterier under virkelige driftsforhold.

Ved at bruge kohærent røntgen diffraktiv billeddannelse, et team af forskere for APS, University of California-San Diego, SLAC National Accelerator Laboratory og Center for Free-Electron Laser Science kortlagde den tredimensionelle belastning i individuelle nanopartikler inde i elektroderne på opererende møntcellebatterier, som dem der findes i ure. I et papir for nylig offentliggjort i Nano bogstaver , holdet rapporterede bevis på, at historien om ladningscyklusser ændrer belastningsmønstrene i enkelte partikler af elektrodematerialet.

Denne nye tilgang vil hjælpe med at afsløre grundlæggende processer, der ligger til grund for overførsel af elektrisk ladning, indsigt, der kunne være med til at guide design af økonomiske batterier med længere levetid.

Denne opdagelse blev kun muliggjort af evnen til at bruge udvide brugen af ​​CDI til at studere batterier, der cykler under aflæste driftsforhold.

APS er et af de få steder, hvor denne forskning kan udføres.

"Bragg Coherent Diffraction Imaging (Bragg-CDI) er en teknik, der kun bruger den sammenhængende del af strålen. Ydermere, det kan udvælge enkelte nanokrystaller baseret på deres krystalstruktur, og kortlæg udviklingen af ​​belastning inde i nanostrukturen, mens hele batteriet cykles." sagde Ross Harder, en forfatter på papirerne og røntgenfysiker ved APS. "Den høje brillans af APS ved høje fotonenergier er et nødvendigt krav for at forfølge denne form for forskning på individuelle nanopartikler inde i deres intakte matrix. APS-opgraderingen med vil give os mulighed for at se på nanoskalasystemer af denne komplekse karakter med størrelsesordener øget hastighed , følsomhed og opløsning, " sagde Jörg Maser, medforfatter på papirerne og røntgenfysiker ved APS.

Dette arbejde blev finansieret af DOE Office of Science og en UC San Diego Chancellor's Interdisciplinary Collaborators Award. APS er en DOE Office of Science User Facility ved Argonne National Laboratory.

Hyung-Man Cho og Jong Woo Kim, kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik på UC-Davis, Jörg Maser og Ross Harder fra Argonne National Laboratory og Jesse Clark fra SLAC National Accelerator Laboratory bidrog til dette arbejde, som blev instrueret af UC-Davis Shirley Meng, professor i nanoteknik og Oleg Shpyrko professor i fysik.