Čisté a účinné technologie skladování energie jsou zásadní pro vybudování infrastruktury obnovitelné energie.Lithium-iontové baterie již dominují v osobních elektronických zařízeních a jsou slibnými kandidáty na spolehlivá úložiště na úrovni sítě a elektrická vozidla.Je však zapotřebí dalšího vývoje, aby se zlepšila rychlost jejich nabíjení a životnost.
Aby vědci napomohli vývoji takových baterií s rychlejším nabíjením a delší životností, musí být schopni porozumět procesům probíhajícím uvnitř fungující baterie a identifikovat omezení výkonu baterie.V současné době vyžaduje vizualizace materiálů aktivních baterií při jejich práci sofistikované techniky synchrotronového rentgenu nebo elektronové mikroskopie, které mohou být obtížné a drahé a často nemohou zobrazovat dostatečně rychle, aby zachytily rychlé změny, ke kterým dochází v materiálech rychle nabíjecích elektrod.V důsledku toho zůstává dynamika iontů na délkovém měřítku jednotlivých aktivních částic a při komerčně relevantních rychlostech rychlého nabíjení do značné míry neprozkoumaná.
Výzkumníci z University of Cambridge tento problém překonali vývojem levné laboratorní techniky optické mikroskopie pro studium lithium-iontových baterií.Zkoumali jednotlivé částice Nb14W3O44, což je dosud jeden z nejrychleji nabíjecích anodových materiálů.Viditelné světlo je posíláno do baterie přes malé skleněné okénko, což umožňuje výzkumníkům sledovat dynamický proces uvnitř aktivních částic v reálném čase za realistických nerovnovážných podmínek.To odhalilo frontální gradienty koncentrace lithia pohybující se jednotlivými aktivními částicemi, což mělo za následek vnitřní napětí, které způsobilo prasknutí některých částic.Zlomení částic je pro baterie problém, protože může vést k elektrickému odpojení úlomků, což snižuje skladovací kapacitu baterie."Takové spontánní události mají vážné důsledky pro baterii, ale nikdy předtím je nebylo možné pozorovat v reálném čase," říká spoluautor Dr Christoph Schnedermann z Cambridge's Cavendish Laboratory.
Vysoká propustnost techniky optické mikroskopie umožnila výzkumníkům analyzovat velkou populaci částic a odhalila, že praskání částic je častější s vyšší rychlostí delitiiace a u delších částic.„Tato zjištění poskytují přímo použitelné konstrukční principy ke snížení lomu částic a vyblednutí kapacity v této třídě materiálů,“ říká první autorka Alice Merryweatherová, kandidátka na doktorandské studium na Cavendish Laboratory and Chemistry Department v Cambridge.
Klíčové výhody metodiky – včetně rychlého získávání dat, rozlišení jednotlivých částic a schopností vysoké propustnosti – umožní další zkoumání toho, co se stane, když baterie selžou, a jak tomu předejít.Technika může být použita ke studiu téměř jakéhokoli typu materiálu baterie, což z ní činí důležitý díl skládačky při vývoji baterií nové generace.
Čas odeslání: 17. září 2022