Uppladdningsbara litiumjonbatterier håller inte för evigt – efter tillräckligt många cykler av laddning och laddning kommer de så småningom att bli kaput, så forskare letar ständigt efter sätt att pressa lite mer liv ur sina batteridesigner.

Nu har forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och kollegor från Purdue University, Virginia Tech och European Synchrotron Radiation Facility upptäckt att faktorerna bakom batteriförfall faktiskt förändras över tiden. Tidigt verkar sönderfallet drivas av egenskaperna hos individuella elektrodpartiklar, men efter flera dussin laddningscykler är det hur dessa partiklar sätts ihop som betyder mer.

"De grundläggande byggstenarna är dessa partiklar som utgör batterielektroden, men när du zoomar ut interagerar dessa partiklar med varandra", säger SLAC-forskaren Yijin Liu, forskare vid labbets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource och en senior författare på nytt papper. Därför, "om du vill bygga ett bättre batteri måste du titta på hur du sätter ihop partiklarna."

Se skogen för träden

Den nya studien, publicerad 29 april i Science , bygger på tidigare forskning där Liu och kollegor använde datorseendetekniker för att studera hur de enskilda partiklarna som utgör en uppladdningsbar batterielektrod går isär över tiden. Målet den här gången var att studera inte bara enskilda partiklar utan hur de samverkar för att förlänga eller försämra batteriets livslängd.

Keije Zhao, en maskinteknikprofessor i Purdue som tillsammans med Liu och Virginia Tech kemiprofessor Feng Lin var en senior författare, liknade problemet med människor som arbetar i grupper. "Batteripartiklar är som människor - vi börjar alla gå vår egen väg", sa Zhao. det individuella beteendet hos partiklar och hur dessa partiklar beter sig i grupper."

För att utforska den idén slog de första författarna Jizhou Li, en SSRL-postdoktor, och Nikhil Sharma, en Purdue-student, ihop med Liu, Lin och Zhao och andra kollegor för att studera batterikatoder med röntgenstrålar. De använde röntgentomografi för att rekonstruera tredimensionella bilder av katoderna efter att de hade gått igenom antingen 10 eller 50 laddningscykler. De skar upp dessa 3D-bilder i en serie 2D-skivor och använde datorseende metoder för att identifiera partiklar.

Ett batteris livslängd

Till slut identifierade de mer än 2 000 individuella partiklar, för vilka de beräknade inte bara individuella partikelegenskaper som storlek, form och ytjämnhet utan också mer globala egenskaper, som hur ofta partiklar kom i direkt kontakt med varandra och hur varierande partiklarnas former var.

Därefter tittade de på hur var och en av dessa egenskaper bidrog till partiklarnas nedbrytning, och ett slående mönster uppstod. Efter 10 laddningscykler var de största faktorerna individuella partiklars egenskaper, inklusive hur sfäriska partiklarna var och förhållandet mellan partikelvolym och ytarea. Efter 50 cykler drev dock par- och gruppattribut – som hur långt ifrån varandra två partiklar var, hur olika deras former var och om mer långsträckta fotbollsformade partiklar var orienterade på liknande sätt – partikelnedbrytningen.

"Det är inte längre bara själva partikeln. Det är partikel-partikel-interaktioner" som spelar roll, sa Liu. Det är viktigt, sade han, eftersom det betyder att tillverkare kan utveckla tekniker för att kontrollera sådana egenskaper. De kanske till exempel kan använda magnetiska eller elektriska fält för att rikta in långsträckta partiklar med varandra, vilket de nya resultaten tyder på skulle resultera i längre batterilivslängd.

Och, co-senior författare och Virginia Tech kemist Feng Lin sa, resultaten kan tillämpas utöver detaljerna i den nuvarande forskningen. "Denna studie belyser verkligen hur vi kan designa och tillverka batterielektroder för att få lång livslängd för batterier," sa Lin. "Vi är glada över att implementera förståelsen för nästa generations lågkostnadsbatterier." + Utforska vidare

Studien undersöker nycklarna till att utveckla bättre batterier