Batterier används ofta i vardagliga applikationer som att driva elfordon, elektroniska prylar och är lovande kandidater för hållbar energilagring. Dock, som du förmodligen har märkt med daglig laddning av batterier, deras funktionalitet avtar med tiden. Så småningom, vi måste byta ut dessa batterier, vilket inte bara är dyrt utan också utarmar de sällsynta jordartsmetaller som används för att tillverka dem.

En nyckelfaktor för att minska batteriets livslängd är försämringen av ett batteris strukturella integritet. För att motverka strukturell försämring, ett team av forskare från USC Viterbi School of Engineering hoppas kunna införa "stretch" i batterimaterial så att de kan cyklas upprepade gånger utan strukturell trötthet. Denna forskning leddes av Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan biträdande professor i rymd- och maskinteknik, och USC Viterbi Ph.D-kandidat, Delin Zhang, samt Brown University-forskare från professor Brian Sheldons grupp. Deras arbete publicerades i Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Ett typiskt batteri fungerar genom en upprepad cykel av att sätta in och extrahera Li-joner från elektroder, sa Zhang. Denna insättning och extraktion expanderar och komprimerar elektrodgittren. Dessa volymförskjutningar skapar mikrosprickor, frakturer och defekter över tid.

"Dessa mikrosprickor och sprickor i batterimaterialet kommer att leda till strukturell nedbrytning, vilket så småningom kommer att minska batterikapaciteten, "Sade Zhang." I slutändan, batteriet måste bytas ut mot ett nytt."

För att avskräcka detta, Zhang, som studerar interkaleringsmaterial – en klass av material som används som elektroder i litiumjonbatterier – sträcker ut dessa interkalationselektroder i förväg. Denna förändring i det initiala spänningstillståndet reglerar fastransformationsspänningarna, vilket gör elektroderna mer motståndskraftiga mot brott eller amorfisering (förlorar sina kristallina egenskaper).

Bredare spänning, större kapacitet

Fasomvandlingar, när batterimaterialen ändrar fysisk form, resultatet av den cykel av expansion och kompression som följer med daglig laddning och användning. Zhang sa:"Dessa fastransformationer kan göra elektroderna mer mottagliga för strukturell nedbrytning, speciellt när processen upprepas så ofta."

Reversibilitet av faser är nyckeln för att låta batterier bibehålla effektiv funktionalitet över tid. Renuka-Balakrishna sa:"Reversibiliteten förbättras mest genom att se till att materialet förblir i sin kristallina form. Vid vissa spänningar, när materialen går från en fas till en annan, de kan bli pulverformiga, vilket inte är idealiskt för effektiv drift av batteriet."

Forskarna frågade sig därför, "Finns det något sätt att hålla batterimaterial i sin kristallina form medan de cyklar fram och tillbaka mellan energilandskap?" Svaret:att förändra materialens struktur genom att införa ett initialt spänningstillstånd.

Zhang sa:"Genom att sträcka ut elektroderna före laddning och urladdning, vi förändrar energilandskapet över vilket en elektrod går från laddat till urladdat tillstånd. Denna initiala belastning tillåter oss att minska energibarriären för dessa transformationer och förhindra skadliga gitterdeformationer som leder till materialfel. Denna förändring i energilandskapet hjälper till att förhindra mikrosprickor och sprickor, skydda batteriets hållbarhet och energilagringskapacitet. "

En extra fördel, Renuka-Balakrishna sa, är att genom att sträcka ut elektroderna, batteriet kan också fungera i ett bredare spänningsfönster, vilket gör den mer effektiv i sin energilagringskapacitet.

Utmaningar med modern energilagring

En av de viktigaste frågorna för energilagringsgemenskapen, Renuka-Balakrishna sa, flyttar sig bort från brandfarliga flytande elektrolyter som vanligtvis används i batterier och lägger dem i fasta material. "Det här introducerar nya utmaningar, " Hon sa.

Fasta föremål, som vi alla vet, kan försämras med tiden vid upprepad stress. När en spricka väl har introducerats, de två sidorna av en yta kommer att tappa kontakten. När det gäller batteriet, det skapar ett enkelt mekanikproblem; utan anslutning, det är svårt att transportera joner över materialet, sa Renuka-Balakrishna.

Tillvägagångssätt som den som identifierats av Zhang är ett försök att gå framåt mot säkrare, mer hållbara batterier samtidigt som man tacklar denna mekaniska utmaning. Det nya med detta tillvägagångssätt är istället för att hitta ett nytt material för att förbättra batterilivslängden, du kan förbättra ett existerande materials livslängd genom att introducera grundläggande mekanikkoncept för att förbättra deras livslängd, sa forskarna.

"Mekanik har inte alltid varit en integrerad del av att utveckla batterier, " sa Renuka-Balakrishna. "Men nu kan ingenjörer leka med den här teorin/verktyget Zhang har skapat och arbeta för att konstruera livslängden för batterimaterial."

Att förbättra batteriernas livslängd skulle gynna användare av elektronisk utrustning och elfordon, vilket möjliggör längre användning av enheter och minimerar batteribyten, sa Zhang. Med tanke på kostnaden för ett litiumjonbatteri, det kan också spara användarna massor av pengar över tid.

Mer än det, Zhang sa att hållbar energilagring är en viktig del för att minska skadliga växthusgasutsläpp och minska batteriavfall, och vi hoppas att vi med vårt arbete öppnar en ny forskningslinje för att förbättra materialreversibiliteten.