Czyste i wydajne technologie magazynowania energii są niezbędne do utworzenia infrastruktury energii odnawialnej.Baterie litowo-jonowe dominują już w osobistych urządzeniach elektronicznych i są obiecującymi kandydatami do niezawodnych pojazdów magazynujących na poziomie sieci oraz pojazdów elektrycznych.Konieczne są jednak dalsze prace rozwojowe, aby poprawić szybkość ładowania i okres użytkowania.
Aby pomóc w opracowaniu szybciej ładujących się i trwalszych akumulatorów, naukowcy muszą być w stanie zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz działającego akumulatora, aby zidentyfikować ograniczenia wydajności akumulatora.Obecnie wizualizacja aktywnych materiałów akumulatorów podczas ich pracy wymaga wyrafinowanych technik synchrotronowego rentgenowskiego lub mikroskopii elektronowej, które mogą być trudne i kosztowne, a często nie umożliwiają obrazowania wystarczająco szybko, aby uchwycić szybkie zmiany zachodzące w materiałach szybko ładujących się elektrod.W rezultacie dynamika jonów w skali długości poszczególnych aktywnych cząstek i przy istotnych z komercyjnego punktu widzenia szybkościach szybkiego ładowania pozostaje w dużej mierze niezbadana.
Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge przezwyciężyli ten problem, opracowując niedrogą laboratoryjną technikę mikroskopii optycznej do badania akumulatorów litowo-jonowych.Zbadali poszczególne cząstki Nb14W3O44, który jest jednym z najszybciej ładujących się dotychczas materiałów anodowych.Widoczne światło jest przesyłane do akumulatora przez małe szklane okienko, co pozwala naukowcom obserwować dynamiczny proces zachodzący w aktywnych cząsteczkach w czasie rzeczywistym, w realistycznych warunkach nierównowagi.Ujawniło to frontalne gradienty stężenia litu przemieszczające się przez poszczególne aktywne cząstki, powodując wewnętrzne naprężenia, które spowodowały pękanie niektórych cząstek.Pękanie cząstek stanowi problem w przypadku akumulatorów, ponieważ może prowadzić do odłączenia elektrycznego fragmentów, zmniejszając pojemność akumulatora.„Takie spontaniczne zdarzenia mają poważne konsekwencje dla baterii, ale nigdy wcześniej nie można było ich zaobserwować w czasie rzeczywistym” – mówi współautor, dr Christoph Schnedermann z Cavendish Laboratory w Cambridge.
Wysokoprzepustowe możliwości techniki mikroskopii optycznej umożliwiły badaczom analizę dużej populacji cząstek, ujawniając, że pękanie cząstek występuje częściej przy wyższych szybkościach delitiacji i w przypadku dłuższych cząstek.„Odkrycia te dostarczają zasad projektowania, które można bezpośrednio zastosować, aby zmniejszyć pękanie cząstek i spadek pojemności w tej klasie materiałów” – mówi pierwsza autorka Alice Merryweather, doktorantka w Laboratorium i Wydziale Chemii Cavendish w Cambridge.
W przyszłości kluczowe zalety tej metodologii — w tym szybkie gromadzenie danych, rozdzielczość pojedynczych cząstek i duża przepustowość — umożliwią dalsze badanie tego, co dzieje się w przypadku awarii akumulatorów i sposobów zapobiegania temu.Technikę tę można zastosować do badania niemal każdego rodzaju materiału, z którego wykonane są akumulatory, co czyni ją ważnym elementem układanki w procesie opracowywania akumulatorów nowej generacji.
Czas publikacji: 17 września 2022 r