Чисті та ефективні технології накопичення енергії мають важливе значення для створення інфраструктури відновлюваної енергії.Літій-іонні батареї вже домінують в персональних електронних пристроях і є перспективними кандидатами для надійних накопичувачів на рівні мережі та електромобілів.Однак необхідна подальша розробка, щоб покращити швидкість заряджання та термін служби.
Щоб сприяти розробці таких акумуляторів із швидшою зарядкою та довговічністю, науковцям потрібно розуміти процеси, що відбуваються всередині працюючої батареї, щоб визначити обмеження продуктивності батареї.В даний час для візуалізації активних матеріалів батареї під час їх роботи потрібні складні методи синхротронного рентгенівського випромінювання або електронної мікроскопії, які можуть бути складними та дорогими, і часто не можуть отримати зображення досить швидко, щоб зафіксувати швидкі зміни, що відбуваються в матеріалах електродів, що швидко заряджаються.Як наслідок, динаміка іонів на масштабі довжини окремих активних частинок і при комерційно значущих швидкостях заряджання залишається в основному недослідженою.
Дослідники з Кембриджського університету подолали цю проблему, розробивши недорогу лабораторну техніку оптичної мікроскопії для дослідження літій-іонних батарей.Вони досліджували окремі частинки Nb14W3O44, який є одним із найшвидше заряджаючих анодних матеріалів на сьогоднішній день.Видиме світло надсилається в батарею через невелике скляне віконце, що дозволяє дослідникам спостерігати за динамічним процесом всередині активних частинок у реальному часі в реалістичних нерівноважних умовах.Це виявило фронтальні градієнти концентрації літію, що рухалися через окремі активні частинки, що призвело до внутрішньої деформації, яка призвела до руйнування деяких частинок.Розрив частинок є проблемою для батарей, оскільки це може призвести до електричного роз’єднання фрагментів, що зменшує ємність акумулятора.«Такі спонтанні явища мають серйозні наслідки для батареї, але раніше їх ніколи не можна було спостерігати в режимі реального часу», — каже співавтор доктор Крістоф Шнедерманн із Кавендішської лабораторії Кембриджа.
Висока пропускна здатність методу оптичної мікроскопії дозволила дослідникам проаналізувати велику популяцію частинок, виявивши, що розтріскування частинок є більш поширеним при вищій швидкості розщеплення та в більш довгих частинках.«Ці висновки забезпечують безпосередньо застосовні принципи проектування для зменшення руйнування частинок і втрати ємності в цьому класі матеріалів», — каже перший автор Еліс Меррівезер, доктор філософії в Кевендішській лабораторії та хімічному відділі.
Рухаючись вперед, ключові переваги методології, включаючи швидкий збір даних, роздільну здатність однієї частинки та високу пропускну здатність, дозволять продовжити дослідження того, що відбувається, коли батареї виходять з ладу, і як цьому запобігти.Цей метод можна застосувати для вивчення практично будь-якого типу матеріалу акумулятора, що робить його важливою частиною головоломки в розробці акумуляторів наступного покоління.
Час публікації: 17 вересня 2022 р