a) Optiska bilder som visar sprickbildning i en enda stavformad partikel av Nb14 W3 O44 . Svarta streckade linjer markerar Li-jonfronter som fortplantar sig från sprickan. b) Optisk bild av en sprucken partikel efter 20 laddnings-urladdningscykler. Det mer ljusspridande fragmentet har ett högre Li-innehåll, vilket tyder på att det har blivit inaktivt. Skalstänger är 5 μm. c) Omfattning av partikelbrott i en fast population av aktiva partiklar, över 15 laddnings-urladdningscykler. Kredit:Forskarteam, Cavendish Laboratory, Institutionen för fysik, University of Cambridge
Ren och effektiv energilagringsteknik är avgörande för att etablera en infrastruktur för förnybar energi. Litiumjonbatterier är redan dominerande inom personlig elektronisk utrustning och är lovande kandidater för tillförlitlig lagring på nätet och elfordon. Det krävs dock ytterligare utveckling för att förbättra deras laddningshastigheter och livslängder.
För att hjälpa utvecklingen av sådana snabbare laddning och längre livslängd batterier, måste forskare kunna förstå de processer som sker inuti ett fungerande batteri, för att identifiera begränsningarna för batteriprestanda. För närvarande kräver visualisering av de aktiva batterimaterialen när de fungerar sofistikerade synkrotronröntgen- eller elektronmikroskoptekniker, vilket kan vara svårt och dyrt, och ofta inte kan avbildas tillräckligt snabbt för att fånga de snabba förändringarna som sker i snabbladdande elektrodmaterial. Som ett resultat förblir jondynamiken på längdskalan av enskilda aktiva partiklar och vid kommersiellt relevanta snabbladdningshastigheter i stort sett outforskad.
Forskare vid University of Cambridge har övervunnit detta problem genom att utveckla en billig labbbaserad optisk mikroskopiteknik för att studera litiumjonbatterier. De undersökte enskilda partiklar av Nb14 W3 O44 , som är bland de snabbast laddande anodmaterialen hittills. Synligt ljus skickas in i batteriet genom ett litet glasfönster, vilket gör att forskarna kan titta på den dynamiska processen inom de aktiva partiklarna, i realtid, under realistiska icke-jämviktsförhållanden. Detta avslöjade frontliknande litiumkoncentrationsgradienter som rörde sig genom de individuella aktiva partiklarna, vilket resulterade i inre spänningar som fick vissa partiklar att spricka.
Partikelbrott är ett problem för batterier, eftersom det kan leda till elektrisk urkoppling av fragmenten, vilket minskar batteriets lagringskapacitet. "Sådana spontana händelser har allvarliga konsekvenser för batteriet, men kunde aldrig observeras i realtid förr nu", säger medförfattaren Dr. Christoph Schnedermann, från Cambridges Cavendish Laboratory.
Högkapacitetskapaciteten hos den optiska mikroskopitekniken gjorde det möjligt för forskarna att analysera en stor population av partiklar, vilket avslöjade att partikelsprickning är vanligare med högre grad av delithiation och i längre partiklar. "Dessa resultat ger direkt tillämpbara designprinciper för att minska partikelbrott och kapacitetsblekning i denna klass av material", säger första författaren Alice Merryweather, en Ph.D. kandidat vid Cambridges Cavendish Laboratory and Chemistry Department.
Framöver kommer de viktigaste fördelarna med metoden – inklusive snabb datainsamling, enpartikelupplösning och hög genomströmning – att möjliggöra ytterligare utforskning av vad som händer när batterier går sönder och hur man kan förhindra det. Tekniken kan användas för att studera nästan alla typer av batterimaterial, vilket gör den till en viktig pusselbit i utvecklingen av nästa generations batterier.
Forskningen publicerades i Nature Materials . + Utforska vidare
