Čisté a efektívne technológie skladovania energie sú nevyhnutné na vytvorenie infraštruktúry pre obnoviteľnú energiu.Lítium-iónové batérie už dominujú v osobných elektronických zariadeniach a sú sľubnými kandidátmi na spoľahlivé úložiská na úrovni siete a elektrické vozidlá.Je však potrebný ďalší vývoj, aby sa zlepšila rýchlosť ich nabíjania a použiteľná životnosť.
Aby vedci pomohli pri vývoji takýchto batérií s rýchlejším nabíjaním a dlhšou životnosťou, musia byť schopní porozumieť procesom, ktoré sa vyskytujú vo vnútri batérie, a identifikovať obmedzenia výkonu batérie.V súčasnosti si vizualizácia materiálov aktívnych batérií pri ich práci vyžaduje sofistikované techniky synchrotrónového röntgenového žiarenia alebo elektrónovej mikroskopie, ktoré môžu byť zložité a drahé a často nie je možné zobraziť dostatočne rýchlo na zachytenie rýchlych zmien vyskytujúcich sa v materiáloch rýchlonabíjacích elektród.V dôsledku toho zostáva dynamika iónov na dĺžkovej škále jednotlivých aktívnych častíc a pri komerčne relevantných rýchlostiach rýchleho nabíjania do značnej miery nepreskúmaná.
Výskumníci z University of Cambridge tento problém prekonali vývojom lacnej laboratórnej optickej mikroskopie na štúdium lítium-iónových batérií.Skúmali jednotlivé častice Nb14W3O44, ktorý patrí k doteraz najrýchlejšie nabíjaným anódovým materiálom.Viditeľné svetlo sa posiela do batérie cez malé sklenené okienko, čo umožňuje výskumníkom sledovať dynamický proces v aktívnych časticiach v reálnom čase za realistických nerovnovážnych podmienok.To odhalilo frontové gradienty koncentrácie lítia pohybujúce sa cez jednotlivé aktívne častice, čo malo za následok vnútorné napätie, ktoré spôsobilo zlomenie niektorých častíc.Zlomenie častíc je problémom pre batérie, pretože môže viesť k elektrickému odpojeniu úlomkov, čím sa zníži skladovacia kapacita batérie."Takéto spontánne udalosti majú vážne dôsledky pre batériu, ale doteraz ich nebolo možné pozorovať v reálnom čase," hovorí spoluautor Dr Christoph Schnedermann z Cambridge's Cavendish Laboratory.
Vysokovýkonné možnosti techniky optickej mikroskopie umožnili výskumníkom analyzovať veľkú populáciu častíc, čo odhalilo, že praskanie častíc je bežnejšie pri vyšších rýchlostiach delítizácie a pri dlhších časticiach.„Tieto zistenia poskytujú priamo použiteľné konštrukčné princípy na zníženie lámavosti častíc a vyblednutia kapacity v tejto triede materiálov,“ hovorí prvá autorka Alice Merryweatherová, kandidátka na doktorandské štúdium v Cavendish Laboratory and Chemistry Department v Cambridge.
Kľúčové výhody metodiky – vrátane rýchleho získavania údajov, rozlíšenia jednotlivých častíc a vysokej priepustnosti – umožnia ďalšie skúmanie toho, čo sa stane, keď batérie zlyhajú, a ako tomu zabrániť.Táto technika môže byť použitá na štúdium takmer akéhokoľvek typu materiálu batérie, čo z nej robí dôležitý kúsok skladačky pri vývoji batérií novej generácie.
Čas odoslania: 17. september 2022