Ett internationellt team av forskare publicerade just i Avancerade energimaterial den bredaste studien om vad som händer under batterifel, med fokus på de olika delarna av ett batteri samtidigt. ESRF:s roll, den europeiska synkrotronen, i Frankrike, var avgörande för dess framgång.

Vi har alla upplevt det:du har laddat din mobiltelefon och efter en kort tid använt den, batteriet går ovanligt snabbt ur. Konsumentelektronik tycks tappa ström i ojämna takt och detta beror på heterogeniteten i batterier. När telefonen laddas, toppskiktet laddas först och det nedre lagret laddas senare. Mobiltelefonen kan indikera att den är klar när toppytan är laddad, men botten kommer att vara underladdad. Om du använder det nedre lagret som ditt fingeravtryck, det översta lagret kommer att överladdas och kommer att ha säkerhetsproblem.

Sanningen är den, batterier består av många olika delar som beter sig olika. Fast polymer hjälper till att hålla ihop partiklar, koltillsatser ger elektrisk anslutning, och sedan finns det de aktiva batteripartiklarna som lagrar och släpper ut energin.

Ett internationellt team av forskare från ESRF, SLAC, Virginia Tech och Purdue University ville förstå och kvantitativt definiera vad som leder till att litiumjonbatterier misslyckas. Tills dess, studier hade antingen zoomat in på enskilda områden eller partiklar i katoden under misslyckande eller zoomat ut för att titta på beteendet på cellnivå utan att erbjuda tillräckliga mikroskopiska detaljer. Nu ger denna studie den första globala uppfattningen med en aldrig tidigare skådad mängd mikroskopiska strukturdetaljer för att komplettera de befintliga studierna i batterilitteraturen.

Om du har en perfekt elektrod, varenda partikel ska bete sig på samma sätt. Dock, elektroder är mycket heterogena och innehåller miljontals partiklar. Det finns inget sätt att se till att varje partikel beter sig på samma sätt samtidigt.

För att övervinna denna utmaning, forskargruppen förlitade sig starkt på synkrotronröntgenmetoderna och använde två synkrotronanläggningar för att studera elektroder i batterier, ESRF, den europeiska synkrotronen i Grenoble, Frankrike och Stanfords SLAC National Accelerator Laboratory, i oss. "ESRF tillät oss att studera större mängder batteripartiklar vid högre upplösning, "säger Feng Lin, biträdande professor vid Virginia Tech. Kompletterande experiment, i synnerhet nano-upplösning röntgen spektro-mikroskopi, ägde rum på SLAC.

"Hård röntgenfaskontrast nanotomografi visade oss varje partikel med en anmärkningsvärd upplösning över hela elektrodtjockleken. Detta gjorde att vi kunde spåra skadans nivå i var och en av dem efter att ha använt batteriet. Ungefär hälften av data från papperet kom från ESRF, "förklarar Yang Yang, forskare vid ESRF och första författare till tidningen.

"Innan experimenten visste vi inte att vi kunde studera dessa många partiklar på en gång. Imaging enskilda aktiva batteripartiklar har varit i fokus för detta område. För att skapa ett bättre batteri, du måste maximera bidraget från varje enskild partikel, "säger Yijin Liu, forskare vid SLAC.

Virginia Tech -labbet tillverkade material och batterier, som sedan testades för sina laddnings- och nedbrytningsbeteenden vid ESRF och SLAC. Kejie Zhao, biträdande professor vid Purdue University, ledde beräkningsmodelleringen i detta projekt.

Resultaten från denna publikation erbjuder en diagnostisk metod för användning av partiklar och blekning i batterier. "Detta kan förbättra hur industrin konstruerar elektroder för snabbladdade batterier, "avslutar Yang.