Čiste i učinkovite tehnologije skladištenja energije ključne su za uspostavu infrastrukture obnovljive energije.Litij-ionske baterije već su dominantne u osobnim elektroničkim uređajima i obećavajući su kandidati za pouzdanu pohranu na razini mreže i električna vozila.Međutim, potreban je daljnji razvoj kako bi se poboljšale njihove stope punjenja i životni vijek.
Kako bi pomogli razvoju takvih baterija s bržim punjenjem i dugotrajnijim baterijama, znanstvenici moraju biti u stanju razumjeti procese koji se odvijaju unutar operativne baterije, kako bi identificirali ograničenja performansi baterije.Trenutačno, vizualizacija aktivnih baterijskih materijala dok rade zahtijeva sofisticirane sinkrotronske rendgenske ili elektronske mikroskopske tehnike, koje mogu biti teške i skupe, i često ne mogu prikazati dovoljno brzo da zabilježe brze promjene koje se događaju u materijalima elektroda koje se brzo pune.Kao rezultat toga, ionska dinamika na ljestvici duljine pojedinačnih aktivnih čestica i pri komercijalno relevantnim brzinama brzog punjenja ostaje uglavnom neistražena.
Istraživači sa Sveučilišta u Cambridgeu prevladali su ovaj problem razvijanjem jeftine laboratorijske tehnike optičke mikroskopije za proučavanje litij-ionskih baterija.Ispitali su pojedinačne čestice Nb14W3O44, koji je među anodnim materijalima koji se najbrže pune do danas.Vidljivo svjetlo šalje se u bateriju kroz mali stakleni prozorčić, omogućujući istraživačima da promatraju dinamički proces unutar aktivnih čestica, u stvarnom vremenu, pod realnim neravnotežnim uvjetima.Ovo je otkrilo gradijente koncentracije litija poput fronte koji se kreću kroz pojedinačne aktivne čestice, što je rezultiralo unutarnjim naprezanjem koje je uzrokovalo lomljenje nekih čestica.Lom čestica je problem za baterije, budući da može dovesti do električnog odspajanja fragmenata, smanjujući kapacitet pohrane baterije."Takvi spontani događaji imaju ozbiljne implikacije na bateriju, ali se nikada prije nisu mogli promatrati u stvarnom vremenu", kaže koautor dr. Christoph Schnedermann iz laboratorija Cavendish u Cambridgeu.
Mogućnosti visoke propusnosti tehnike optičke mikroskopije omogućile su istraživačima da analiziraju veliku populaciju čestica, otkrivajući da je pucanje čestica češće s višim stopama delitizacije i kod dužih čestica."Ova otkrića daju izravno primjenjive principe dizajna za smanjenje loma čestica i gubitka kapaciteta u ovoj klasi materijala", kaže prva autorica Alice Merryweather, doktorska kandidatkinja na Cambridgeovom laboratoriju i odjelu za kemiju Cavendish.
Ubuduće, ključne prednosti metodologije — uključujući brzo prikupljanje podataka, rezoluciju jedne čestice i mogućnosti visoke propusnosti — omogućit će daljnje istraživanje onoga što se događa kada baterije pokvare i kako to spriječiti.Tehnika se može primijeniti za proučavanje gotovo svih vrsta materijala za baterije, što je čini važnim dijelom slagalice u razvoju baterija sljedeće generacije.
Vrijeme objave: 17. rujna 2022