טכניקה להנחות את הפיתוח של סוללות מהדור הבא ומהיר יותר

טכנולוגיות אחסון אנרגיה נקיות ויעילות הן חיוניות להקמת תשתית אנרגיה מתחדשת.סוללות ליתיום-יון כבר דומיננטיות במכשירים אלקטרוניים אישיים, והן מועמדות מבטיחות לאחסון אמין ברמת הרשת ולרכבים חשמליים.עם זאת, יש צורך בפיתוח נוסף כדי לשפר את קצבי הטעינה ואת משך החיים השימושיים שלהם.

כדי לסייע בפיתוח של סוללות כאלה הנטענות מהר יותר ועמידות יותר, מדענים צריכים להיות מסוגלים להבין את התהליכים המתרחשים בתוך סוללה פועלת, כדי לזהות את המגבלות על ביצועי הסוללה.נכון לעכשיו, הדמיה של חומרי הסוללה הפעילים בזמן שהם פועלים דורשת טכניקות מתוחכמות של סינכרוטרון רנטגן או מיקרוסקופיה אלקטרונית, שעלולות להיות קשות ויקר, ולעתים קרובות אין אפשרות לצלם במהירות מספיק כדי ללכוד את השינויים המהירים המתרחשים בחומרי אלקטרודה בטעינה מהירה.כתוצאה מכך, דינמיקת היונים בסולם האורך של חלקיקים פעילים בודדים ובקצבי טעינה מהירים רלוונטיים למסחר נותרה בלתי נחקרה במידה רבה.

חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' התגברו על בעיה זו על ידי פיתוח טכניקת מיקרוסקופיה אופטית מבוססת מעבדה בעלות נמוכה לחקר סוללות ליתיום-יון.הם בחנו חלקיקים בודדים של Nb14W3O44, שהוא בין חומרי האנודה הטעונים המהירים ביותר עד כה.אור גלוי נשלח לתוך הסוללה דרך חלון זכוכית קטן, המאפשר לחוקרים לצפות בתהליך הדינמי בתוך החלקיקים הפעילים, בזמן אמת, בתנאים ריאליים שאינם שיווי משקל.זה חשף גרדיאנטים של ריכוז ליתיום דמויי חזית נעים דרך החלקיקים הפעילים הבודדים, וכתוצאה מכך מתיחה פנימית שגרמה לחלקיקים מסוימים להישבר.שבר חלקיקים הוא בעיה עבור סוללות, שכן הוא יכול להוביל לניתוק חשמלי של השברים, להפחית את קיבולת האחסון של הסוללה."לאירועים ספונטניים כאלה יש השלכות חמורות על הסוללה, אבל מעולם לא ניתן היה לצפות בהם בזמן אמת לפני כן", אומר מחבר שותף ד"ר כריסטוף שנידרמן, ממעבדת קוונדיש של קיימברידג'.

יכולות התפוקה הגבוהה של טכניקת המיקרוסקופיה האופטית אפשרו לחוקרים לנתח אוכלוסיה גדולה של חלקיקים, וגילו שפיצוח חלקיקים נפוץ יותר עם שיעורים גבוהים יותר של דליתיה ובחלקיקים ארוכים יותר."ממצאים אלה מספקים עקרונות עיצוב ישימים ישירות להפחתת שבר חלקיקים ודהיית קיבולת בסוג זה של חומרים" אומרת הסופרת הראשונה אליס מריוות'ר, מועמדת לדוקטורט במחלקת המעבדה והכימיה של קיימברידג'.

בהמשך, היתרונות העיקריים של המתודולוגיה - כולל רכישת נתונים מהירה, רזולוציה של חלקיקים בודדים ויכולות תפוקה גבוהה - יאפשרו חקירה נוספת של מה קורה כאשר סוללות נכשלות וכיצד למנוע זאת.ניתן ליישם את הטכניקה כדי ללמוד כמעט כל סוג של חומר סוללה, מה שהופך אותה לחלק חשוב בפאזל בפיתוח סוללות מהדור הבא.