O tehnică pentru a ghida dezvoltarea bateriilor de generație următoare mai rapide și mai durabile

Tehnologiile curate și eficiente de stocare a energiei sunt esențiale pentru stabilirea unei infrastructuri de energie regenerabilă.Bateriile cu litiu-ion sunt deja dominante în dispozitivele electronice personale și sunt candidați promițători pentru stocare fiabilă la nivel de rețea și vehicule electrice.Cu toate acestea, este nevoie de o dezvoltare suplimentară pentru a le îmbunătăți ratele de încărcare și durata de viață utilizabilă.

Pentru a ajuta la dezvoltarea unor astfel de baterii cu încărcare mai rapidă și mai durabile, oamenii de știință trebuie să fie capabili să înțeleagă procesele care au loc în interiorul unei baterii în funcțiune, pentru a identifica limitările performanței bateriei.În prezent, vizualizarea materialelor active ale bateriilor în timp ce funcționează necesită tehnici sofisticate de microscopie electronică sau cu raze X sincrotron, care pot fi dificile și costisitoare și adesea nu pot face imagini suficient de rapid pentru a surprinde schimbările rapide care apar în materialele electrozilor cu încărcare rapidă.Ca rezultat, dinamica ionilor pe scara lungimii particulelor active individuale și la ratele de încărcare rapidă relevante din punct de vedere comercial rămâne în mare măsură neexplorată.

Cercetătorii de la Universitatea din Cambridge au depășit această problemă dezvoltând o tehnică de microscopie optică de laborator, cu costuri reduse, pentru a studia bateriile litiu-ion.Ei au examinat particulele individuale de Nb14W3O44, care se numără printre cele mai rapide materiale anodice de încărcare până în prezent.Lumina vizibilă este trimisă în baterie printr-o fereastră mică de sticlă, permițând cercetătorilor să urmărească procesul dinamic din particulele active, în timp real, în condiții realiste de neechilibru.Acest lucru a scos la iveală gradienți de concentrație de litiu asemănător față care se deplasează prin particulele active individuale, ducând la o tensiune internă care a cauzat fracturarea unor particule.Ruptura particulelor este o problemă pentru baterii, deoarece poate duce la deconectarea electrică a fragmentelor, reducând capacitatea de stocare a bateriei.„Astfel de evenimente spontane au implicații grave asupra bateriei, dar nu au putut fi observate în timp real până acum”, spune coautorul dr. Christoph Schnedermann, de la Laboratorul Cavendish din Cambridge.

Capacitățile de mare debit ale tehnicii de microscopie optică le-au permis cercetătorilor să analizeze o populație mare de particule, dezvăluind că fisurarea particulelor este mai frecventă cu rate mai mari de delitiere și în particule mai lungi.„Aceste descoperiri oferă principii de proiectare aplicabile direct pentru a reduce ruptura particulelor și decolorarea capacității în această clasă de materiale”, spune prima autoare Alice Merryweather, doctorand la Departamentul de Chimie și Laboratorul Cavendish din Cambridge.

Mergând mai departe, avantajele cheie ale metodologiei - inclusiv achiziția rapidă de date, rezoluția cu o singură particule și capabilitățile de debit mare - vor permite explorarea în continuare a ceea ce se întâmplă atunci când bateriile se defectează și cum se poate preveni.Tehnica poate fi aplicată pentru a studia aproape orice tip de material pentru baterii, făcându-l o piesă importantă a puzzle-ului în dezvoltarea bateriilor de generație următoare.