Forskare vid WMG vid University of Warwick har utvecklat en ny direkt, Exakt test av litiumjonbatteriers interna temperaturer och deras elektrodpotentialer och fann att batterierna säkert kan laddas upp till fem gånger snabbare än de nuvarande rekommenderade laddningsgränserna. Den nya tekniken fungerar på plats under ett batteris normala drift utan att försämra dess prestanda och den har testats på vanliga kommersiellt tillgängliga batterier. Sådan ny teknik kommer att möjliggöra framsteg inom batterimaterialvetenskap, flexibla batteriladdningshastigheter, termisk och elektrisk konstruktion av nya batterimaterial/-teknik och den har potential att hjälpa till vid utformningen av energilagringssystem för högpresterande tillämpningar som motorracing och nätbalansering.

Om ett batteri blir överhettat riskerar det allvarliga skador, särskilt på dess elektrolyt, och kan till och med leda till farliga situationer där elektrolyten bryts ner och bildar gaser som både är brandfarliga och orsakar betydande tryckuppbyggnad. Överladdning av anoden kan leda till så mycket litiumgalvanisering att den bildar metalliska dendriter och så småningom tränger igenom separatorn vilket orsakar en intern kortslutning med katoden och efterföljande katastrofalt fel.

För att undvika detta, tillverkare anger en maximal laddningshastighet eller intensitet för batterier baserat på vad de tror är de avgörande temperatur- och potentialnivåerna att undvika. Men hittills har intern temperaturtestning (och att få data om varje elektrods potential) i ett batteri visat sig antingen omöjligt eller opraktiskt utan att nämnvärt påverka batteriernas prestanda.

Tillverkare har varit tvungna att förlita sig på en begränsad, extern instrumentering. Denna metod kan uppenbarligen inte ge exakta avläsningar, vilket har fått tillverkare att tilldela mycket konservativa gränser för maximal laddningshastighet eller intensitet för att säkerställa att batteriet inte skadas eller i värsta fall drabbas av katastrofala fel.

Men forskare inom WMG vid University of Warwick har utvecklat en ny rad metoder som möjliggör direkt, mycket exakt intern temperatur och "per-elektrod" statusövervakning av litiumjonbatterier av olika format och destination. Dessa metoder kan användas under ett batteris normala drift utan att försämra dess prestanda och det har testats på kommersiellt tillgängliga bilbatterier. Data som samlas in med sådana metoder är mycket mer exakt än extern avkänning och WMG har kunnat fastställa att kommersiellt tillgängliga litiumbatterier som finns tillgängliga idag kan laddas minst fem gånger snabbare än de nuvarande rekommenderade maximala laddningshastigheterna.

WMG-forskarna har publicerat sin forskning denna månad (februari 2018) i Electrochemica Acta i en artikel med titeln "Understanding the limits of quick charge using instrumented commercial 18650 high-energy Li-ion celler."

Dr. Tazdin Amietszajew, WMG-forskaren som ledde denna forskning, sa, "Detta kan ge enorma fördelar för områden som motorracing som skulle få uppenbara fördelar av att kunna tänja på prestandagränserna, men det skapar också enorma möjligheter för konsumenter och energilagringsleverantörer. Snabbare laddning som alltid sker på bekostnad av den totala batteritiden, men många konsumenter skulle välkomna möjligheten att ladda ett fordonsbatteri snabbt när korta restider krävs och sedan byta till standardladdningsperioder vid andra tidpunkter. Att ha den flexibiliteten i laddningsstrategier kan till och med/längre på linjen hjälpa konsumenterna att dra nytta av ekonomiska incitament från kraftbolag som försöker balansera elnätet med hjälp av fordon som är anslutna till nätet.

"Denna teknik är redo att tillämpas nu på kommersiella batterier men vi skulle behöva se till att batterihanteringssystem på fordon, och att infrastrukturen som sätts in för elfordon, kan tillgodose varierande laddningshastigheter som skulle inkludera dessa nya mer exakt inställda profiler/gränser."

The technology the WMG researchers have developed for this new direct in-situ battery sensing employs miniature reference electrodes and Fibre Bragg Gratings (FBG) threaded through bespoke strain protection layer. An outer skin of fluorinated ethylene propylene (FEP) was applied over the fibre, adding chemical protection from the corrosive electrolyte. The result is a device that can have direct contact with all the key parts of the battery and withstand electrical, chemical and mechanical stress inflicted during the batteries operation while still enabling precise temperature and potential readings.

WMG Associate Professor Dr. Rohit Bhagat who was also one researchers on the paper said, "This method gave us a novel instrumentation design for use on commercial 18650 cells that minimises the adverse and previously unavoidable alterations to the cell geometry. The device included an in-situ reference electrode coupled with an optical fibre temperature sensor. We are confident that similar techniques can also be developed for use in pouch cells."

"Our research group in WMG has been working on a number of technological solutions to this problem and this is just the first that we have brought to publication. We hope to publish our work on other innovative approaches to this challenge within the next year."