Les tecnologies d'emmagatzematge d'energia netes i eficients són essencials per establir una infraestructura d'energia renovable.Les bateries d'ions de liti ja són dominants en els dispositius electrònics personals i són candidats prometedors per a l'emmagatzematge fiable a nivell de xarxa i vehicles elèctrics.No obstant això, es necessita més desenvolupament per millorar les seves taxes de càrrega i la seva vida útil.
Per ajudar al desenvolupament d'aquestes bateries de càrrega més ràpida i de major durada, els científics han de ser capaços d'entendre els processos que es produeixen dins d'una bateria en funcionament, per identificar les limitacions del rendiment de la bateria.Actualment, visualitzar els materials actius de la bateria a mesura que funcionen requereix tècniques sofisticades de raigs X de sincrotró o de microscòpia electrònica, que poden ser difícils i costoses, i sovint no poden fer imatges amb prou rapidesa per capturar els canvis ràpids que es produeixen en els materials d'elèctrodes de càrrega ràpida.Com a resultat, la dinàmica iònica a l'escala de longitud de les partícules actives individuals i a taxes de càrrega ràpida rellevants comercialment roman en gran mesura sense explorar.
Els investigadors de la Universitat de Cambridge han superat aquest problema desenvolupant una tècnica de microscòpia òptica de baix cost basada en laboratori per estudiar bateries d'ions de liti.Van examinar partícules individuals de Nb14W3O44, que es troba entre els materials d'ànode de càrrega més ràpida fins ara.La llum visible s'envia a la bateria a través d'una petita finestra de vidre, cosa que permet als investigadors veure el procés dinàmic de les partícules actives, en temps real, en condicions realistes de no equilibri.Això va revelar gradients de concentració de liti semblants al front que es mouen a través de les partícules actives individuals, donant lloc a una tensió interna que va provocar que algunes partícules es fracturessin.La fractura de partícules és un problema per a les bateries, ja que pot provocar la desconnexió elèctrica dels fragments, reduint la capacitat d'emmagatzematge de la bateria."Aquests esdeveniments espontanis tenen implicacions greus per a la bateria, però mai no es podrien observar en temps real", diu el coautor, el doctor Christoph Schnedermann, del Laboratori Cavendish de Cambridge.
Les capacitats d'alt rendiment de la tècnica de microscòpia òptica van permetre als investigadors analitzar una gran població de partícules, revelant que el trencament de partícules és més comú amb taxes més altes de delitiació i en partícules més llargues."Aquestes troballes proporcionen principis de disseny aplicables directament per reduir la fractura de partícules i la capacitat d'esvaïment en aquesta classe de materials", diu la primera autora Alice Merryweather, candidata a doctorat al Departament de Química i Laboratori Cavendish de Cambridge.
A partir d'ara, els avantatges clau de la metodologia, com ara l'adquisició ràpida de dades, la resolució d'una sola partícula i les capacitats d'alt rendiment, permetran explorar més el que passa quan les bateries fallen i com prevenir-ho.La tècnica es pot aplicar per estudiar gairebé qualsevol tipus de material de bateries, cosa que la converteix en una peça important del trencaclosques en el desenvolupament de bateries de nova generació.
Hora de publicació: 17-set-2022