Οι καθαρές και αποδοτικές τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας είναι απαραίτητες για τη δημιουργία υποδομής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κυριαρχούν ήδη στις προσωπικές ηλεκτρονικές συσκευές και είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για αξιόπιστη αποθήκευση σε επίπεδο δικτύου και ηλεκτρικά οχήματα.Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω ανάπτυξη για τη βελτίωση των ρυθμών φόρτισης και της διάρκειας ζωής τους.
Για να βοηθήσουν στην ανάπτυξη τέτοιων μπαταριών ταχύτερης φόρτισης και μεγαλύτερης διάρκειας, οι επιστήμονες πρέπει να είναι σε θέση να κατανοήσουν τις διεργασίες που συμβαίνουν μέσα σε μια μπαταρία λειτουργίας, για να εντοπίσουν τους περιορισμούς στην απόδοση της μπαταρίας.Επί του παρόντος, η οπτικοποίηση των ενεργών υλικών της μπαταρίας καθώς λειτουργούν απαιτεί εξελιγμένες τεχνικές ακτίνων Χ ή ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σύγχροτρον, οι οποίες μπορεί να είναι δύσκολες και δαπανηρές και συχνά δεν μπορούν να απεικονίσουν αρκετά γρήγορα για να καταγράψουν τις γρήγορες αλλαγές που συμβαίνουν στα υλικά ηλεκτροδίων ταχείας φόρτισης.Ως αποτέλεσμα, η δυναμική των ιόντων στην κλίμακα μήκους μεμονωμένων ενεργών σωματιδίων και σε εμπορικά σχετικούς ρυθμούς ταχείας φόρτισης παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ έχουν ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα αναπτύσσοντας μια χαμηλού κόστους τεχνική οπτικής μικροσκοπίας με βάση το εργαστήριο για τη μελέτη των μπαταριών ιόντων λιθίου.Εξέτασαν μεμονωμένα σωματίδια του Nb14W3O44, το οποίο συγκαταλέγεται στα πιο γρήγορα φορτιζόμενα υλικά ανόδου μέχρι σήμερα.Ορατό φως στέλνεται στην μπαταρία μέσω ενός μικρού γυάλινου παραθύρου, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθήσουν τη δυναμική διαδικασία εντός των ενεργών σωματιδίων, σε πραγματικό χρόνο, υπό ρεαλιστικές συνθήκες μη ισορροπίας.Αυτό αποκάλυψε μπροστινές διαβαθμίσεις συγκέντρωσης λιθίου που κινούνταν μέσα από τα μεμονωμένα ενεργά σωματίδια, με αποτέλεσμα την εσωτερική καταπόνηση που προκάλεσε κάταγμα ορισμένων σωματιδίων.Η θραύση σωματιδίων αποτελεί πρόβλημα για τις μπαταρίες, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε ηλεκτρική αποσύνδεση των θραυσμάτων, μειώνοντας την ικανότητα αποθήκευσης της μπαταρίας.«Τέτοια αυθόρμητα συμβάντα έχουν σοβαρές επιπτώσεις για την μπαταρία, αλλά δεν θα μπορούσαν ποτέ να παρατηρηθούν σε πραγματικό χρόνο μέχρι τώρα», λέει ο συν-συγγραφέας Δρ Christoph Schnedermann, από το Cavendish Laboratory του Cambridge.
Οι δυνατότητες υψηλής απόδοσης της τεχνικής οπτικής μικροσκοπίας επέτρεψαν στους ερευνητές να αναλύσουν έναν μεγάλο πληθυσμό σωματιδίων, αποκαλύπτοντας ότι η ρωγμή σωματιδίων είναι πιο κοινή με υψηλότερους ρυθμούς απολιθίωσης και σε μακρύτερα σωματίδια.«Αυτά τα ευρήματα παρέχουν άμεσα εφαρμόσιμες αρχές σχεδίασης για τη μείωση της θραύσης των σωματιδίων και της εξασθένησης της χωρητικότητας σε αυτή την κατηγορία υλικών», λέει η πρώτη συγγραφέας Alice Merryweather, υποψήφια διδάκτορας στο Τμήμα Εργαστηρίου και Χημείας Cavendish του Cambridge.
Προχωρώντας προς τα εμπρός, τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθοδολογίας - συμπεριλαμβανομένης της ταχείας απόκτησης δεδομένων, της ανάλυσης ενός σωματιδίου και των δυνατοτήτων υψηλής απόδοσης - θα επιτρέψουν την περαιτέρω διερεύνηση του τι συμβαίνει όταν οι μπαταρίες αποτυγχάνουν και πώς να το αποτρέψετε.Η τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί για τη μελέτη σχεδόν οποιουδήποτε τύπου υλικού μπαταρίας, καθιστώντας το ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ στην ανάπτυξη μπαταριών επόμενης γενιάς.
Ώρα δημοσίευσης: Σεπ-17-2022