Ett team från Purdue University har publicerat forskning som undersöker förhållandet mellan de aktiva och inaktiva elementen i litiumjonbatterier, och hur mikro- och nanostrukturen hos deras respektive ingredienser speglar batteriernas prestanda och säkerhet.

Studien visades nyligen på tidskriftens framsida ACS tillämpade material och gränssnitt .

"Uppladdningsbara batterier finns överallt, sa Partha Mukherjee, docent i maskinteknik, och huvudforskare av forskningen. "Vi har förmodligen två eller tre bärbar elektronik med oss ​​hela tiden. Men samspelet mellan de olika delarna av själva batteriet är fortfarande inte klart förstått. Min forskning hoppas kunna överbrygga det gapet."

I Mukherjees labb, Energy and Transport Sciences Laboratory (ETSL), forskare studerar alla former av energitransport och lagring, inklusive batterier och bränsleceller. De använder datormodellering för att föreslå nya konfigurationer av de ingående beståndsdelarna och testar sedan olika fenomen i labbet.

"Det är som att baka en tårta, " sa Aashutosh Mistry, en Ph.D. kandidat inom maskinteknik. "Hur mycket deg ska du använda? Hur mycket körsbär ska du ha i så att det smakar gott? På samma sätt, vi tittar på de grundläggande proportionerna, eller receptet, av dessa batterielektroder. Allt du ändrar på mikroskalan kommer att påverka den övergripande prestandan."

"Låt oss ta elfordon, till exempel, " sa Mukherjee.  "Människor är intresserade av tre saker. Prestanda:hur snabbt kan jag köra min bil? Livslängd:hur länge kan jag köra min bil innan jag laddar den? Och slutligen, säkerhetsfrågor. Vi har sett dessa batterier misslyckas offentligt, på spektakulära sätt, exploderar i smartphones och elbilar. Så, alla dessa tre aspekter - prestanda, liv, och säkerhet - är mycket viktigt. Det kan vara en svår balans att få allt precis rätt."

ibland arbetar deras labb med att återskapa de spektakulära misslyckandena med flit. I en vanlig elbil, batterierna är inte en enda stor enhet, men tusentals enskilda celler kopplade samman. Om en misslyckas, vad händer med de andra i närheten? För ett test, en provmodul med 24 celler (ungefär storleken på en tegelsten) överladdades medvetet. En cell exploderade, vilket ledde till en kedjereaktion där alla celler fattade eld.

"Temperaturen och trycket inuti en cell blev så hög, det smälte metallhöljet, som fattade eld, " sa doktorand Daniel Robles, medan han höll i en plastpåse med de förkolnade resterna. "I en elbil, det finns flera tusen av dessa celler, och dessa finns under din stol! Det är därför det är viktigt att förstå grunderna för dessa fenomen, så vi kan förhindra att det händer."

Uppladdningsbara batterier innehåller vanligtvis en positiv elektrod och en negativ elektrod, bestående av "aktivt material" för att lagra litium. Mellan de två elektroderna finns en separator, och det finns flytande elektrolyt genomgående, för att transportera litiumjoner. Till sist, en kombination av elektrokemiskt inaktiva material, såsom ledande tillsatser och bindemedel (kallade "sekundärfasen") hjälper till att forma de fysiska ingredienserna i de porösa kompositelektroderna och förbättra den elektriska ledningsförmågan. I den publicerade forskningen, Mukherjee och hans team undersöker förhållandet mellan det aktiva materialet och sekundärfasen på mikro- och nanoskala - porositeten, de fysiska formerna, och deras interaktioner med varandra. Att ändra någon av dessa egenskaper resulterar i betydande förändringar i batteriets totala prestanda.

"Vi är fortfarande i ett begynnande stadium när det gäller att förstå dessa komplexa interaktioner, " Sa Mukherjee.  "Men det är nyckeln till vår forskning. Vi kopplar det som händer på mikro- och nanoskala till batteriets prestanda, liv, och säkerhet."

Och i takt med att uppladdningsbara batterier blir allt vanligare, deras forskning blir ännu viktigare. "Batterier används överallt, från bärbar elektronik till fordon, och även i storskaliga elnät. Det här är en fantastisk och spännande tid att forska inom energilagring."