En ny papperstunn radiofrekvensdetektor designad för att fungera inuti ett litiumjonbatteri ger information om batteriets hälsa under laddning och urladdning.

"Det kan göra det möjligt för forskare att kontrollera ett batteris funktion och kapacitet efter år av lagring utan att förstöra det, sa Eric Sorte, en fysiker vid Sandia National Laboratories.

Arbetet, finansierat av Sandias Laboratory Directed Research and Development-program kommer att hjälpa forskare att bättre förstå och karakterisera batterier för att förbättra dem för förnybar lagring och nationella säkerhetsapplikationer. Tillverkare kan också använda detta en dag för att köra diagnostiska tester, sa Sorte.

Magnetisk resonansdetektor flyttad inuti batteriet

Eftersom ett litiumjonbatteri driver en elektronisk enhet och sedan laddas, kemiska och fysiska förändringar sker inuti som minskar dess funktion över tid. Molekylära biprodukter bildas när litiumjoner nästlar sig in i och lämnar varje elektrod. Dessa molekyler kan förbruka det aktiva litiumet och minska ett batteris kapacitet. Elektroder kan också genomgå oönskade kemiska förändringar, minska deras förmåga att hålla sig laddade. Mikroskopiska spikar av litium kan växa från en elektrodyta, konsumerar viktiga laddningsbärande joner och skapar potentiellt brandfarliga förhållanden.

När forskare arbetar för att förbättra prestanda hos litiumjonbatterier, de justerar ett batteris kemiska komponenter och cirkulerar systemet genom många laddningar och urladdningar. Sedan öppnar de batteriet och undersöker materialen i mikroskop för att se hur deras struktur och sammansättning har förändrats.

Forskare skulle kunna få den informationen mycket snabbare om de kunde övervaka förhållandena inuti ett batteri när det laddas och laddas ur. Ett sätt de för närvarande gör det är med en teknik som använder samma principer som magnetisk resonanstomografi på sjukhus. Denna metod ger ledtrådar till en molekyls struktur och miljö genom att titta på signaler från ett specifikt element i den molekylen.

Så här fungerar det:Först, instrumentet skickar en puls av radiovågor som är skräddarsydda för att interagera med en specifik atomkärna i element som litium, svavel eller väte. När en kärna sätter sig tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd, den avger en signal som förändras förutsägbart beroende på en atoms omgivning.

Forskare har använt denna teknik för att titta på kemiska förändringar i batterier tidigare, men de var tvungna att modifiera batterikomponenter på sätt som inte finns i fungerande batterier. Denna nya detektor, skapad av Sorte tillsammans med Sandias materialforskare Todd Alam och andra kollegor, är designad för att fungera i batterier eftersom de är gjorda för dagligt bruk. Det är tunnare än ett pappersark och kan göras för att passa in i ett batteri av vilken form som helst.

Forskarna har redan stoppat in det i ett kommersiellt tillgängligt batteri. De föreställer sig att en dag sätta in detektorremsan i ett batteri under tillverkningen, så den innehåller redan den komponent som behövs för en snabb hälsokontroll.

Specifika signaler från molekylära komponenter indikerar laddning, kemiska förändringar

Med denna detektor, Sorte och hans kollegor kan se unika signaler för litiumjoner när de interagerar med materialet i varje elektrod. Detta gör det möjligt för dem att spåra hur mycket laddning ett batteri håller under upprepade laddnings- och urladdningscykler; minskande kapacitet är ett tecken på att ett batteri håller på att dö.

Forskarna kan också se unika signaler från molekyler som produceras under sidoreaktioner när ett batteri fungerar. De kan övervaka dessa molekylära biprodukter och sedan justera ett batteris kemiska komponenter för att minska oönskade reaktioner. Dessa förändringar kan hjälpa dem att förbättra batterierna för att ha egenskaper som behövs för tillämpningar som storskalig lagring av förnybar energi. Tillverkare kan också använda den här enheten en dag för att köra diagnostiska tester på batterier, sa Sorte.

Samma tillvägagångssätt och detektorremsa skulle kunna användas för att titta på de inre funktionerna hos vanadinflödesbatterier och andra kemiprodukter, han lade till. Sorte arbetar också med att övervaka batteriets inre livslängd med hjälp av elektroderna som redan finns där, så att inga ytterligare komponenter behövs.