Elektrische auto's vertrouwen op dezelfde lithium-ionbatterijtechnologie die in smartphones zit, laptops en vrijwel alles elektronisch.

Maar de technologie is extreem traag om te verbeteren. Terwijl elektrische auto's het dagelijkse woon-werkverkeer van de gemiddelde Amerikaan meer dan aankunnen, de gemiddelde benzineauto kan nog verder op een volle tank benzine, laadstations zijn schaars en het opladen van een accu duurt beduidend langer dan het vullen van een tank.

Om de laadcapaciteit van lithium-ionbatterijen te verbeteren en de acceptatie van elektrische auto's te vergroten, de industrie zal moeten terugkeren naar de basiswetenschap van hoe batterijen na verloop van tijd verslijten.

Een team van onderzoekers van meerdere instituten heeft het meest uitgebreide overzicht tot nu toe ontwikkeld van lithium-ionbatterij-elektroden, waar de meeste schade meestal optreedt door ze herhaaldelijk op te laden. Fabrikanten kunnen deze informatie gebruiken om batterijen voor uw smartphone of auto te ontwerpen die zowel betrouwbaarder als duurzamer zijn. zeggen de onderzoekers.

"Het creëren van kennis is soms waardevoller dan het oplossen van het probleem van beschadiging van de batterij-elektrode, " zei Kejie Zhao, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Purdue University. "Voordat, mensen hadden niet de technieken of theorie om dit probleem te begrijpen."

De techniek, uitgelegd in de tijdschriften Geavanceerde energiematerialen en de Journal of the Mechanics and Physics of Solids , is in wezen een röntgenapparaat dat wordt aangedreven door kunstmatige intelligentie. Het kan automatisch duizenden deeltjes in een lithium-ionbatterij-elektrode tegelijk scannen - helemaal tot aan de atomen waaruit de deeltjes zelf bestaan ​​- met behulp van machine learning-algoritmen.

Toegekend, er zijn eigenlijk miljoenen deeltjes in een batterij-elektrode. Maar onderzoekers kunnen ze nu grondiger analyseren dan voorheen – en bij de verschillende bedrijfsomstandigheden waarin we commerciële batterijen in de echte wereld gebruiken, zoals hun spanningsvenster en hoe snel ze worden opgeladen.

"Het meeste werk was gericht op het niveau van een enkel deeltje en het gebruik van die analyse om de hele batterij te begrijpen. Maar er is duidelijk een kloof; er verschilt veel tussen een enkel deeltje op micronschaal en de hele batterij op een veel grotere schaal, " zei Zhao, wiens lab de fundamentele wetenschap bestudeert van hoe de mechanische en elektrochemische aspecten van een batterij elkaar beïnvloeden.

Elke keer dat een batterij wordt opgeladen, lithiumionen reizen heen en weer tussen een positieve elektrode en een negatieve elektrode. Deze ionen interageren met deeltjes in elektroden, waardoor ze na verloop van tijd barsten en verslechteren. Elektrodeschade vermindert de laadcapaciteit van een batterij.

Het is moeilijk voor een batterij om een ​​hoge capaciteit te hebben en tegelijkertijd betrouwbaar te zijn, Zegt Zhao. Het verhogen van de capaciteit van een batterij betekent vaak dat de betrouwbaarheid ervan moet worden opgeofferd.

Het werk van de onderzoekers om schade in lithium-ionbatterijen in kaart te brengen begon met hun ontdekking dat degradatie van batterijdeeltjes niet op hetzelfde moment of op dezelfde locatie plaatsvindt; sommige deeltjes falen sneller dan andere.

Maar om dit echt in meer detail te bestuderen, het team moest een geheel nieuwe techniek ontwikkelen; bestaande methoden zouden schade in batterij-elektroden niet volledig kunnen opvangen.

De onderzoekers wendden zich tot enorme, kilometerslange faciliteiten genaamd synchrotrons bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) van SLAC National Laboratory. Deze faciliteiten bevatten deeltjes die met bijna de snelheid van het licht reizen, die straling afgeeft die wordt gebruikt om beelden te maken die synchrotron-röntgenstralen worden genoemd.

Virginia Tech-onderzoekers vervaardigden de materialen en batterijen voor het testen - variërend van de zakbatterijen in smartphones tot de knoopcellen in horloges. Onderzoekers van ESRF en SSRL hebben de mogelijkheid gecreëerd om zoveel mogelijk elektrodedeeltjes in deze batterijen in één keer te scannen, produceer vervolgens deze röntgenfoto's voor analyse. Kaarten van het kraken en degraderen van deeltjes aan het oppervlak van deeltjes, genaamd "grensvlakonthechting, " kan nu dienen als referentiehulpmiddel voor het kennen van verschillende mate van schade aan batterij-elektroden.

Om te begrijpen hoe deze scheuren de batterijprestaties beïnvloeden, Zhao's team bij Purdue ontwikkelde theorieën en rekenhulpmiddelen. Ze vonden, bijvoorbeeld, dat omdat deeltjes in de buurt van waar lithiumionen heen en weer pendelen, genaamd de "scheider, " worden meer gebruikt dan deeltjes aan de onderkant van elektrodematerialen, ze falen sneller.

Deze variabiliteit in beschadiging van elektrodedeeltjes, of "heterogene degradatie, " is ernstiger bij dikkere elektroden en tijdens snelladende omstandigheden.

"De capaciteit van batterijen hangt niet af van het aantal deeltjes in de batterij; het gaat erom hoe de lithiumionen worden gebruikt, ' zei Zhao.

Het doel van het project is niet dat elke onderzoeker en industriespeler de techniek zelf gaat gebruiken - vooral gezien het feit dat er slechts een handvol synchrotrons in de VS is - maar dat deze groepen de kennis gebruiken die uit de techniek wordt gegenereerd. De onderzoekers zijn van plan de techniek te blijven gebruiken om te documenteren hoe schade ontstaat en de prestaties van commerciële batterijen beïnvloedt.