Elbilar förlitar sig på samma litiumjonbatteriteknik som finns i smartphones, bärbara datorer och praktiskt taget allt elektroniskt.

Men tekniken har varit extremt långsam att förbättras. Medan elbilar mer än klarar den genomsnittliga amerikanens dagliga pendling, den genomsnittliga bensindrivna bilen kan fortfarande gå längre på en full tank med bensin, laddstationer är få och det tar betydligt längre tid att ladda ett batteri än att fylla en tank.

För att förbättra laddningskapaciteten i litiumjonbatterier och öka användningen av elbilar, industrin måste återgå till den grundläggande vetenskapen om hur batterier slits ut över tiden.

Ett team av forskare med flera institut har utvecklat den hittills mest omfattande bilden av litiumjonbatterielektroder, där de flesta skadorna vanligtvis uppstår genom att ladda dem upprepade gånger. Tillverkare kan använda denna information för att designa batterier för din smartphone eller bil som är både mer pålitliga och hållbara, säger forskarna.

"Skapandet av kunskap är ibland mer värdefullt än att lösa problemet med batterielektrodskador, " sa Kejie Zhao, en biträdande professor i maskinteknik vid Purdue University. "Innan, människor hade inte teknikerna eller teorin för att förstå det här problemet."

Tekniken, förklaras i tidskrifterna Avancerade energimaterial och den Journal of the Mechanics and Physics of Solids , är i huvudsak ett röntgenverktyg som drivs av artificiell intelligens. Den kan automatiskt skanna tusentals partiklar i en litiumjonbatterielektrod på en gång – ända ner till atomerna som själva utgör partiklarna – med hjälp av maskininlärningsalgoritmer.

Beviljat, det finns faktiskt miljontals partiklar i en batterielektrod. Men forskare kan nu analysera dem mer noggrant än de kunde tidigare – och under de olika driftsförhållanden som vi använder kommersiella batterier i den verkliga världen, som deras spänningsfönster och hur snabbt de laddar.

"Det mesta arbetet hade fokuserats på den enskilda partikelnivån och att använda den analysen för att förstå hela batteriet. Men det finns uppenbarligen ett gap där; mycket skiljer sig mellan en enskild partikel i mikronskala och hela batteriet i mycket större skala, sa Zhao, vars labb studerar den grundläggande vetenskapen om hur de mekaniska och elektrokemiska aspekterna av ett batteri påverkar varandra.

Varje gång ett batteri laddas, litiumjoner färdas fram och tillbaka mellan en positiv elektrod och en negativ elektrod. Dessa joner interagerar med partiklar i elektroder, får dem att spricka och försämras med tiden. Elektrodskada minskar batteriets laddningskapacitet.

Det är svårt för ett batteri att ha hög kapacitet och samtidigt vara pålitligt, säger Zhao. Att öka ett batteris kapacitet innebär ofta att man offra dess tillförlitlighet.

Forskarnas arbete med att kartlägga skador i litiumjonbatterier började med att de upptäckte att nedbrytning av batteripartiklar inte sker samtidigt eller på samma plats; vissa partiklar misslyckas snabbare än andra.

Men för att verkligen studera detta mer i detalj, laget behövde för att skapa en ny teknik helt och hållet; befintliga metoder skulle inte helt fånga skador i batterielektroder.

Forskarna vände sig till massiva, milslånga anläggningar som kallas synkrotroner vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) och Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) vid SLAC National Laboratory. Dessa anläggningar tar emot partiklar som färdas med nästan ljusets hastighet, avger strålning som används för att skapa bilder som kallas synkrotronröntgenstrålar.

Virginia Tech-forskare tillverkade materialen och batterierna för testning – allt från påscellsbatterier i smartphones till myntceller i klockor. Forskare vid ESRF och SSRL skapade möjligheten att skanna så många elektrodpartiklar som möjligt i dessa batterier på en gång, producera sedan dessa röntgenbilder för analys. Kartor över partikelsprickor och nedbrytning vid partiklars ytor, kallas "gränssnittsavbindning, " kan nu fungera som ett referensverktyg för att känna till varierande grader av skada i batterielektroder.

För att förstå hur dessa sprickor påverkar batteriets prestanda, Zhaos team på Purdue utvecklade teorier och beräkningsverktyg. De hittade, till exempel, att eftersom partiklar nära där litiumjoner pendlar fram och tillbaka, kallas "separatorn, " används mer än partiklar nära botten av elektrodmaterial, de misslyckas snabbare.

Denna variation i elektrodpartikelskada, eller "heterogen nedbrytning, " är allvarligare i tjockare elektroder och under snabbladdningsförhållanden.

"Batteriers kapacitet beror inte på hur många partiklar som finns i batteriet; det som spelar roll är hur litiumjonerna används, " sa Zhao.

Målet för projektet är inte att varje forskare och industriaktör ska använda själva tekniken – särskilt med tanke på att det bara finns en handfull synkrotroner i USA – utan att dessa grupper ska använda den kunskap som genereras från tekniken. Forskarna planerar att fortsätta använda tekniken för att dokumentera hur skador uppstår och påverkar prestanda i kommersiella batterier.