As tecnoloxías de almacenamento de enerxía limpas e eficientes son esenciais para establecer unha infraestrutura de enerxía renovable.As baterías de ión-litio xa dominan nos dispositivos electrónicos persoais e son candidatos prometedores para almacenamento fiable a nivel de rede e vehículos eléctricos.Non obstante, é necesario un maior desenvolvemento para mellorar as súas taxas de carga e a súa vida útil.
Para axudar ao desenvolvemento destas baterías de carga máis rápida e de maior duración, os científicos deben ser capaces de comprender os procesos que ocorren dentro dunha batería en funcionamento, para identificar as limitacións ao rendemento da batería.Na actualidade, a visualización dos materiais activos da batería mentres funcionan require técnicas sofisticadas de microscopía electrónica ou de raios X de sincrotrón, que poden ser difíciles e custosas, e moitas veces non poden captar os rápidos cambios que se producen nos materiais dos electrodos de carga rápida.Como resultado, a dinámica iónica na escala de lonxitude das partículas activas individuais e a taxas de carga rápida comercialmente relevantes segue sendo en gran parte sen explorar.
Os investigadores da Universidade de Cambridge superaron este problema desenvolvendo unha técnica de microscopía óptica de baixo custo baseada en laboratorio para estudar baterías de iones de litio.Examinaron partículas individuais de Nb14W3O44, que se atopa entre os materiais ánodos de carga máis rápida ata a data.A luz visible envíase á batería a través dunha pequena ventá de vidro, o que permite aos investigadores observar o proceso dinámico dentro das partículas activas, en tempo real, en condicións realistas de non equilibrio.Isto revelou gradientes de concentración de litio parecidos á fronte que se movían a través das partículas activas individuais, o que provocou unha tensión interna que provocou a fractura dalgunhas partículas.A fractura de partículas é un problema para as baterías, xa que pode provocar a desconexión eléctrica dos fragmentos, reducindo a capacidade de almacenamento da batería."Estes eventos espontáneos teñen graves implicacións para a batería, pero nunca se puideron observar en tempo real antes de agora", di o coautor o doutor Christoph Schnedermann, do Laboratorio Cavendish de Cambridge.
As capacidades de alto rendemento da técnica de microscopía óptica permitiron aos investigadores analizar unha gran poboación de partículas, revelando que a rachadura de partículas é máis común con taxas máis altas de delitización e en partículas máis longas."Estes achados proporcionan principios de deseño directamente aplicables para reducir a fractura de partículas e a capacidade de desvanecemento nesta clase de materiais", di a primeira autora Alice Merryweather, candidata a doutoramento no Departamento de Química e Laboratorio Cavendish de Cambridge.
No futuro, as principais vantaxes da metodoloxía, incluídas a rápida adquisición de datos, a resolución dunha soa partícula e as capacidades de alto rendemento, permitirán explorar máis o que ocorre cando fallan as baterías e como evitalo.A técnica pódese aplicar para estudar case calquera tipo de material de batería, polo que é unha peza importante do quebracabezas no desenvolvemento de baterías de próxima xeración.
Hora de publicación: 17-09-2022