Een internationaal team van onderzoekers heeft zojuist gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen de meest uitgebreide studie over wat er gebeurt tijdens een batterijstoring, tegelijkertijd gericht op de verschillende onderdelen van een batterij. De rol van de ESRF, de Europese Synchrotron, In Frankrijk, was cruciaal voor het succes ervan.

We hebben het allemaal wel eens meegemaakt:je hebt je mobiele telefoon opgeladen en na korte tijd gebruikt, de batterij gaat ongewoon snel leeg. Consumentenelektronica lijkt stroom te verliezen bij ongelijke snelheden en dit is te wijten aan de heterogeniteit in batterijen. Wanneer de telefoon wordt opgeladen, de bovenste laag laadt eerst op en de onderste laag laadt later op. De mobiele telefoon geeft mogelijk aan dat deze voltooid is wanneer het bovenste oppervlak is opgeladen, maar de bodem zal onderbelast zijn. Als u de onderste laag als uw vingerafdruk gebruikt, de bovenste laag wordt overbelast en krijgt veiligheidsproblemen.

De waarheid is, batterijen zijn samengesteld uit veel verschillende onderdelen die zich verschillend gedragen. Vast polymeer helpt deeltjes bij elkaar te houden, koolstofadditieven zorgen voor elektrische verbinding, en dan zijn er nog de actieve batterijdeeltjes die de energie opslaan en vrijgeven.

Een internationaal team van wetenschappers van de ESRF, SLAC, Virginia Tech en Purdue University wilden begrijpen en kwantitatief definiëren wat leidt tot het falen van lithium-ionbatterijen. Tot dan, studies hadden ofwel ingezoomd op individuele gebieden of deeltjes in de kathode tijdens falen of uitgezoomd om te kijken naar gedrag op celniveau zonder voldoende microscopische details te bieden. Nu biedt deze studie het eerste globale beeld met een ongekende hoeveelheid microscopische structurele details als aanvulling op de bestaande studies in de batterijliteratuur.

Als je een perfecte elektrode hebt, elk afzonderlijk deeltje zou zich op dezelfde manier moeten gedragen. Echter, elektroden zijn zeer heterogeen en bevatten miljoenen deeltjes. Er is geen manier om ervoor te zorgen dat elk deeltje zich tegelijkertijd op dezelfde manier gedraagt.

Om deze uitdaging te overwinnen, het onderzoeksteam leunde zwaar op de synchrotron-röntgenmethoden en gebruikte twee synchrotron-faciliteiten om elektroden in batterijen te bestuderen, de ESRF, de Europese synchrotron in Grenoble, Frankrijk en Stanford's SLAC National Accelerator Laboratory, in ons. "De ESRF stelde ons in staat om grotere hoeveelheden batterijdeeltjes met een hogere resolutie te bestuderen, " zegt Feng Lin, assistent-professor aan Virginia Tech. complementaire experimenten, in het bijzonder röntgenspectromicroscopie met nanoresolutie, vond plaats bij SLAC.

"Harde röntgenfasecontrast-nanotomografie toonde ons elk deeltje met een opmerkelijke resolutie over de volledige dikte van de elektrode. Hierdoor konden we de mate van schade in elk van hen volgen na gebruik van de batterij. Ongeveer de helft van de gegevens van het papier kwamen van de ESRF, " legt Yang Yang uit, wetenschapper bij ESRF en eerste auteur van het artikel.

"Voor de experimenten wisten we niet dat we deze vele deeltjes tegelijk konden bestuderen. Het in beeld brengen van individuele actieve batterijdeeltjes was de focus van dit veld. Om een ​​betere batterij te maken, je moet de bijdrage van elk afzonderlijk deeltje maximaliseren, " zegt Yijin Liu, wetenschapper bij SLAC.

Het Virginia Tech-lab vervaardigde de materialen en batterijen, die vervolgens werden getest op hun oplaad- en degradatiegedrag bij de ESRF en SLAC. Kejie Zhao, assistent-professor aan de Purdu University, leidde de computationele modelleringsinspanning in dit project.

De bevindingen uit deze publicatie bieden een diagnostische methode voor het gebruik en vervagen van deeltjes in batterijen. "Dit zou de manier waarop de industrie elektroden ontwerpt voor snelladende batterijen kunnen verbeteren. ’ besluit Yang.