Canadian Light Source (CLS)-forskaren Toby Bond använder röntgenstrålar för att hjälpa till att konstruera kraftfulla elfordonsbatterier med längre livslängd. Hans forskning, publicerad i Journal of the Electrochemical Society , visar hur laddnings-/urladdningscyklerna för batterier orsakar fysisk skada som så småningom leder till minskad energilagring. Detta nya arbete pekar på en koppling mellan sprickor som bildas i batterimaterialet och utarmning av livsviktiga vätskor som bär laddning.

Bond använder BMIT-anläggningen vid Canadian Light Source vid University of Saskatchewan för att producera detaljerade CT-skanningar av insidan av batterier. I samarbete med Dr. Jeff Dahn vid Dalhousie University, specialiserar han sig på batterier för elfordon, där forskningskravet är att packa in så mycket energi som möjligt i en lätt enhet.

"En stor nackdel med att packa in mer energi är att i allmänhet, ju mer energi du packar in, desto snabbare bryts batteriet ned", säger Bond.

I litiumjonbatterier beror detta på att laddning fysiskt tvingar litiumjoner mellan andra atomer i elektrodmaterialet och trycker isär dem. Att lägga till mer laddning orsakar mer tillväxt i materialen, som krymper tillbaka när litiumjonerna lämnar. Under många cykler av detta växande och krympande börjar det bildas mikrosprickor i materialet, vilket sakta minskar dess förmåga att hålla en laddning.

"Det kan så småningom göra att materialen i batteriet smulas sönder inifrån och ut. Om det blir tillräckligt illa kan det göra att delar av batteriet faktiskt lossnar inuti sig själv", säger Bond. "Och om det orsakar storskaliga skador inuti batteriet kan det också bli ett säkerhetsproblem."

Att studera detta problem, och hur effektiva beläggningar och andra behandlingar är för att stoppa det, har varit viktigt inom området under lång tid. Traditionellt har sprickorna som bildas i ett batteri studerats genom att ta isär batteriet och titta på enskilda partiklar under ett elektronmikroskop. Detta förstör batteriet, så det tillåter inte forskare att bevara den större strukturen och se vilka andra effekter denna sprickbildning kan ha på resten av batteriet.

Genom att använda röntgen vid CLS säger Bond att forskare kan studera dessa effekter i sitt sammanhang och se hur sprickbildning orsakar förändringar i resten av batteriet. I den här studien upptäckte forskarna att när mikrosprickor i batteriet blev värre, sögs vätskor i cellen upp i det extra utrymmet mellan sprickorna, vilket kanske inte lämnar tillräckligt med vätska för att gå runt.

"Det här är första gången någon har kunnat fånga alla dessa effekter som händer tillsammans i ett fungerande batteri", säger Bond. "Denna utarmning av flytande elektrolyt kan orsaka allvarliga problem, eftersom alla delar av batteriet som inte får tillräckligt med vätska i princip skulle sluta fungera."

I denna studie studerade Bond och hans kollegor batterier som kontinuerligt laddats och laddats ur till olika nivåer under åren, tillsammans med i övrigt identiska batterier som inte hade använts alls. De 3D-röntgenskanningar som de samlade in med BMIT:s starka, fokuserade ljus gjorde att de kunde se exakt hur olika material påverkades av användningen, både i mikroskopisk skala och genom hela batteriet.

En praktisk takeaway? Teamet fann att tömning av batteriet en liten mängd orsakade mindre försämring än att ladda ur batteriet hela vägen. Detta beror sannolikt på att en mindre förändring i laddningen orsakar mindre fysisk belastning på batteriets elektrodmaterial över tiden. Denna effekt är viktig att förstå för nya tillämpningar som långdistanstransporter, elflygplan och att använda parkerade elfordon för att lagra och leverera energi till elnätet. Dessa scenarier kräver ofta att du använder mer av batteriets fulla kapacitet innan det laddas.

"När vi börjar ersätta fler och fler förbränningsdrivna fordon med elfordon är det verkligen viktigt att förstå hur batterier kommer att bete sig under olika förhållanden", säger Bond. "Det är väldigt spännande att arbeta med dessa problem, och vi behöver verkligen verktyg som synkrotroner för att förstå de fina detaljerna i vad som händer inuti batteriet när vi provar nya metoder." + Utforska vidare

Forskare identifierar en annan anledning till varför batterier inte kan laddas på några minuter