เทคนิคเพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาแบตเตอรี่เจเนอเรชั่นถัดไปที่เร็วและยาวนานยิ่งขึ้น

เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพถือเป็นสิ่งสำคัญในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานหมุนเวียนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความโดดเด่นอยู่แล้วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคล และมีแนวโน้มว่าจะเป็นตัวเลือกสำหรับการจัดเก็บระดับกริดและยานพาหนะไฟฟ้าที่เชื่อถือได้อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงอัตราการชาร์จและอายุการใช้งาน

เพื่อช่วยในการพัฒนาแบตเตอรี่ที่ชาร์จเร็วขึ้นและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ที่ใช้งาน เพื่อระบุข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ปัจจุบัน การแสดงภาพวัสดุแบตเตอรี่ที่ทำงานอยู่ขณะทำงานต้องใช้เทคนิคเอ็กซ์เรย์ซินโครตรอนหรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ซับซ้อน ซึ่งอาจเป็นเรื่องยากและมีราคาแพง และมักไม่สามารถถ่ายภาพได้เร็วพอที่จะบันทึกการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นในวัสดุอิเล็กโทรดที่ชาร์จเร็วเป็นผลให้ไดนามิกของไอออนในระดับความยาวของอนุภาคแอคทีฟแต่ละตัวและอัตราการชาร์จเร็วที่เกี่ยวข้องกับเชิงพาณิชย์ยังคงไม่ได้รับการสำรวจเป็นส่วนใหญ่

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้เอาชนะปัญหานี้ด้วยการพัฒนาเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในห้องปฏิบัติการราคาประหยัดเพื่อศึกษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพวกเขาตรวจสอบแต่ละอนุภาคของ Nb14W3O44 ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุแอโนดที่ชาร์จเร็วที่สุดในปัจจุบันแสงที่มองเห็นจะถูกส่งไปยังแบตเตอรี่ผ่านหน้าต่างกระจกเล็กๆ ช่วยให้นักวิจัยสามารถดูกระบวนการไดนามิกภายในอนุภาคแอคทีฟได้แบบเรียลไทม์ ภายใต้สภาวะที่ไม่สมดุลตามความเป็นจริงสิ่งนี้เผยให้เห็นการไล่ระดับความเข้มข้นของลิเธียมคล้ายด้านหน้าที่เคลื่อนที่ผ่านอนุภาคกัมมันต์แต่ละตัว ส่งผลให้เกิดความเครียดภายในซึ่งทำให้อนุภาคบางส่วนแตกหักการแตกหักของอนุภาคเป็นปัญหาสำหรับแบตเตอรี่ เนื่องจากอาจทำให้ชิ้นส่วนขาดการเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้า ส่งผลให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลง“เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเองดังกล่าวมีผลกระทบร้ายแรงต่อแบตเตอรี่ แต่ไม่เคยสามารถสังเกตได้แบบเรียลไทม์มาก่อนในตอนนี้” ดร. คริสตอฟ ชเนเดอร์มานน์ ผู้เขียนร่วมจากห้องปฏิบัติการ Cavendish แห่งเคมบริดจ์กล่าว

ความสามารถในการรับส่งข้อมูลสูงของเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงช่วยให้นักวิจัยสามารถวิเคราะห์อนุภาคจำนวนมากได้ ซึ่งเผยให้เห็นว่าการแตกร้าวของอนุภาคนั้นพบได้บ่อยกว่าเมื่อมีอัตราการหลุดออกที่สูงกว่าและในอนุภาคที่ยาวกว่า“การค้นพบนี้ให้หลักการออกแบบที่นำไปใช้ได้โดยตรงเพื่อลดการแตกหักของอนุภาคและความสามารถในการจางหายไปในวัสดุประเภทนี้” ผู้เขียนคนแรก Alice Merryweather ผู้สมัครระดับปริญญาเอกจากแผนกเคมีและห้องปฏิบัติการ Cavendish ของเคมบริดจ์กล่าว

ก้าวไปข้างหน้า ข้อได้เปรียบที่สำคัญของระเบียบวิธีดังกล่าว รวมถึงการเก็บข้อมูลที่รวดเร็ว ความละเอียดของอนุภาคเดี่ยว และความสามารถในการรับส่งข้อมูลสูง จะช่วยให้สามารถสำรวจเพิ่มเติมว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ขัดข้อง และวิธีการป้องกันเทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ในการศึกษาวัสดุแบตเตอรี่ได้เกือบทุกประเภท ทำให้กลายเป็นปริศนาชิ้นสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่เจเนอเรชั่นถัดไป