Чистите и ефективни технологии за съхранение на енергия са от съществено значение за създаването на инфраструктура за възобновяема енергия.Литиево-йонните батерии вече са доминиращи в личните електронни устройства и са обещаващи кандидати за надеждно съхранение на ниво мрежа и електрически превозни средства.Въпреки това е необходимо по-нататъшно развитие, за да се подобрят техните скорости на зареждане и използваем живот.
За да подпомогнат разработването на такива по-бързо зареждащи се и по-дълготрайни батерии, учените трябва да могат да разберат процесите, протичащи вътре в работеща батерия, за да идентифицират ограниченията на производителността на батерията.Понастоящем визуализирането на материалите на активната батерия, докато работят, изисква усъвършенствани синхротронни рентгенови или електронни микроскопски техники, които могат да бъдат трудни и скъпи и често не могат да изобразят достатъчно бързо, за да уловят бързите промени, настъпващи в бързо зареждащите се електродни материали.В резултат на това йонната динамика в мащаба на дължината на отделните активни частици и при комерсиално значими скорости на бързо зареждане остава до голяма степен неизследвана.
Изследователи от университета в Кеймбридж са преодолели този проблем чрез разработване на евтина лабораторна техника за оптична микроскопия за изследване на литиево-йонни батерии.Те изследваха отделни частици от Nb14W3O44, който е сред най-бързо зареждащите се анодни материали до момента.Видимата светлина се изпраща в батерията през малък стъклен прозорец, което позволява на изследователите да наблюдават динамичния процес в активните частици в реално време, при реалистични неравновесни условия.Това разкрива предни градиенти на концентрация на литий, движещи се през отделните активни частици, което води до вътрешно напрежение, което причинява счупване на някои частици.Счупването на частици е проблем за батериите, тъй като може да доведе до електрическо разединяване на фрагментите, намалявайки капацитета за съхранение на батерията.„Такива спонтанни събития имат сериозни последици за батерията, но никога не биха могли да бъдат наблюдавани в реално време досега“, казва съавторът д-р Кристоф Шнедерман от лабораторията Кавендиш в Кеймбридж.
Възможностите с висока пропускателна способност на техниката на оптична микроскопия позволиха на изследователите да анализират голяма популация от частици, разкривайки, че крекингът на частиците е по-често срещан при по-високи скорости на разделяне и при по-дълги частици.„Тези констатации осигуряват директно приложими принципи на проектиране за намаляване на разрушаването на частиците и избледняването на капацитета в този клас материали“, казва първият автор Алис Мериуедър, докторант в Кавендишката лаборатория и катедрата по химия на Кеймбридж.
Придвижвайки се напред, ключовите предимства на методологията - включително бързото събиране на данни, разделителната способност на една частица и възможностите за висока пропускателна способност - ще позволят по-нататъшно изследване на това какво се случва, когато батериите се повредят и как да се предотврати това.Техниката може да се приложи за изследване на почти всеки тип материал за батерии, което го прави важна част от пъзела в разработването на батерии от следващо поколение.
Време на публикуване: 17 септември 2022 г