Čiste in učinkovite tehnologije za shranjevanje energije so bistvenega pomena za vzpostavitev infrastrukture za obnovljivo energijo.Litij-ionske baterije že prevladujejo v osebnih elektronskih napravah in so obetavni kandidati za zanesljivo shranjevanje na ravni omrežja in električna vozila.Vendar pa je potreben nadaljnji razvoj za izboljšanje njihovih stopenj polnjenja in uporabne življenjske dobe.
Da bi pomagali pri razvoju takšnih hitrejših in dolgotrajnejših baterij, morajo biti znanstveniki sposobni razumeti procese, ki se dogajajo znotraj delujoče baterije, da prepoznajo omejitve delovanja baterije.Trenutno vizualizacija aktivnih baterijskih materialov med njihovim delovanjem zahteva sofisticirane sinhrotronske rentgenske ali elektronske mikroskopske tehnike, ki so lahko težke in drage ter pogosto ne morejo posneti dovolj hitro, da bi zajeli hitre spremembe, ki se pojavljajo v materialih elektrod s hitrim polnjenjem.Posledično ostaja ionska dinamika na dolžinski lestvici posameznih aktivnih delcev in pri komercialno pomembnih stopnjah hitrega polnjenja večinoma neraziskana.
Raziskovalci na Univerzi v Cambridgeu so to težavo premagali z razvojem nizkocenovne laboratorijske tehnike optične mikroskopije za preučevanje litij-ionskih baterij.Pregledali so posamezne delce Nb14W3O44, ki je med najhitreje napolnjenimi anodnimi materiali doslej.Vidna svetloba se pošlje v baterijo skozi majhno stekleno okence, kar raziskovalcem omogoča opazovanje dinamičnega procesa znotraj aktivnih delcev v realnem času, pod realističnimi neravnovesnimi pogoji.To je razkrilo spredaj podobne gradiente koncentracije litija, ki se premikajo skozi posamezne aktivne delce, kar je povzročilo notranjo napetost, ki je povzročila zlom nekaterih delcev.Zlom delcev je problem za baterije, saj lahko povzroči električno prekinitev povezave med drobci, kar zmanjša kapaciteto shranjevanja baterije."Takšni spontani dogodki imajo resne posledice za baterijo, vendar jih doslej še nikoli ni bilo mogoče opazovati v realnem času," pravi soavtor dr. Christoph Schnedermann iz Cambridgeovega laboratorija Cavendish.
Visoko zmogljive zmožnosti tehnike optične mikroskopije so raziskovalcem omogočile analizo velike populacije delcev in razkrile, da je pokanje delcev pogostejše pri višjih stopnjah delitiacije in pri daljših delcih."Te ugotovitve zagotavljajo neposredno uporabna načela načrtovanja za zmanjšanje lomljenja delcev in bledenja zmogljivosti v tem razredu materialov," pravi prva avtorica Alice Merryweather, doktorska kandidatka na oddelku za laboratorij Cavendish in kemijo v Cambridgeu.
V prihodnje bodo ključne prednosti metodologije – vključno s hitrim pridobivanjem podatkov, ločljivostjo posameznega delca in visoko prepustnimi zmogljivostmi – omogočile nadaljnje raziskovanje, kaj se zgodi, ko baterije odpovejo, in kako to preprečiti.Tehniko je mogoče uporabiti za preučevanje skoraj vseh vrst baterijskega materiala, zaradi česar je pomemben del sestavljanke pri razvoju baterij naslednje generacije.
Čas objave: 17. september 2022