Czyste i wydajne technologie magazynowania energii są niezbędne do stworzenia infrastruktury energii odnawialnej.Baterie litowo-jonowe już dominują w osobistych urządzeniach elektronicznych i są obiecującymi kandydatami na niezawodne magazynowanie i pojazdy elektryczne na poziomie sieci.Potrzebny jest jednak dalszy rozwój w celu poprawy ich szybkości ładowania i żywotności użytkowej.
Aby wspomóc rozwój takich szybciej ładujących się i trwalszych baterii, naukowcy muszą być w stanie zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz działającej baterii, aby zidentyfikować ograniczenia wydajności baterii.Obecnie wizualizacja aktywnych materiałów baterii podczas ich pracy wymaga zaawansowanych technik synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego lub mikroskopii elektronowej, które mogą być trudne i kosztowne, a często nie pozwalają na wystarczająco szybkie zobrazowanie, aby uchwycić szybkie zmiany zachodzące w szybko ładujących się materiałach elektrod.W rezultacie dynamika jonów w skali długości poszczególnych aktywnych cząstek i przy odpowiednich komercyjnie szybkościach szybkiego ładowania pozostaje w dużej mierze niezbadana.
Naukowcy z University of Cambridge przezwyciężyli ten problem, opracowując niedrogą laboratoryjną technikę mikroskopii optycznej do badania akumulatorów litowo-jonowych.Zbadali pojedyncze cząstki Nb14W3O44, który jest jednym z najszybciej ładujących się materiałów anodowych do tej pory.Światło widzialne jest przesyłane do akumulatora przez małe szklane okienko, co pozwala naukowcom obserwować dynamiczny proces w aktywnych cząsteczkach w czasie rzeczywistym, w realistycznych warunkach braku równowagi.Ujawniło to frontalne gradienty stężenia litu przechodzące przez poszczególne aktywne cząstki, powodując wewnętrzne naprężenie, które spowodowało pękanie niektórych cząstek.Pękanie cząstek jest problemem dla akumulatorów, ponieważ może prowadzić do elektrycznego rozłączenia fragmentów, zmniejszając pojemność akumulatora.„Takie spontaniczne zdarzenia mają poważne konsekwencje dla baterii, ale nigdy wcześniej nie mogły być obserwowane w czasie rzeczywistym” – mówi współautor dr Christoph Schnedermann z Laboratorium Cavendish w Cambridge.
Możliwości wysokoprzepustowe techniki mikroskopii optycznej umożliwiły naukowcom analizę dużej populacji cząstek, ujawniając, że pękanie cząstek jest częstsze przy wyższych szybkościach delitacji i dłuższych cząstkach.„Te odkrycia dostarczają bezpośrednio stosowanych zasad projektowania w celu zmniejszenia pękania cząstek i zanikania pojemności w tej klasie materiałów” – mówi pierwsza autorka, Alice Merryweather, doktorantka z Laboratorium i Chemii Cavendish w Cambridge.
Wybiegając w przyszłość, kluczowe zalety tej metodologii — w tym szybkie pozyskiwanie danych, rozdzielczość pojedynczych cząstek i wysoka przepustowość — umożliwią dalszą eksplorację tego, co dzieje się w przypadku awarii baterii i jak temu zapobiec.Technikę tę można zastosować do badania niemal każdego rodzaju materiału, z którego wykonany jest akumulator, co czyni ją ważnym elementem układanki w rozwoju akumulatorów nowej generacji.
Czas posta: 17 września-2022