Oplaadbare lithium-ionbatterijen gaan niet eeuwig mee - na voldoende cycli van opladen en opladen zullen ze uiteindelijk kapot gaan, dus onderzoekers zijn constant op zoek naar manieren om wat meer leven uit hun batterijontwerpen te persen.

Nu hebben onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en collega's van Purdue University, Virginia Tech en de European Synchrotron Radiation Facility ontdekt dat de factoren achter batterijverval in de loop van de tijd veranderen. In het begin lijkt het verval te worden aangedreven door de eigenschappen van individuele elektrodedeeltjes, maar na enkele tientallen oplaadcycli is het belangrijker hoe die deeltjes in elkaar zitten.

"De fundamentele bouwstenen zijn deze deeltjes waaruit de batterij-elektrode bestaat, maar als je uitzoomt, hebben deze deeltjes een wisselwerking met elkaar", zegt SLAC-wetenschapper Yijin Liu, een onderzoeker bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource van het laboratorium en een senior auteur op de nieuw papier. Daarom:"Als je een betere batterij wilt bouwen, moet je kijken hoe je de deeltjes samenvoegt."

Door de bomen het bos zien

De nieuwe studie, gepubliceerd op 29 april in Science , bouwt voort op eerder onderzoek waarin Liu en collega's computervisietechnieken gebruikten om te bestuderen hoe de afzonderlijke deeltjes waaruit een oplaadbare batterij-elektrode bestaat na verloop van tijd uit elkaar vallen. Het doel deze keer was om niet alleen individuele deeltjes te bestuderen, maar ook de manieren waarop ze samenwerken om de levensduur van de batterij te verlengen of te verslechteren.

Keije Zhao, een Purdue-professor werktuigbouwkunde die samen met Liu en Virginia Tech scheikundeprofessor Feng Lin een senior auteur was, vergeleek het probleem met mensen die in groepen werken. "Batterijdeeltjes zijn net mensen - we beginnen allemaal onze eigen weg te gaan", zei Zhao. "Maar uiteindelijk komen we andere mensen tegen en komen we in groepen terecht die dezelfde kant op gaan. Om maximale efficiëntie te begrijpen, moeten we beide bestuderen. het individuele gedrag van deeltjes, en hoe die deeltjes zich in groepen gedragen."

Om dat idee te onderzoeken, werkten co-eerste auteurs Jizhou Li, een SSRL-postdoctoraal onderzoeker, en Nikhil Sharma, een Purdue-afgestudeerde student, samen met Liu, Lin en Zhao en andere collega's om batterijkathodes met röntgenstralen te bestuderen. Ze gebruikten röntgentomografie om driedimensionale afbeeldingen van de kathoden te reconstrueren nadat ze 10 of 50 oplaadcycli hadden doorlopen. Ze sneden die 3D-foto's in een reeks van 2D-plakjes en gebruikten computervisiemethoden om deeltjes te identificeren.

De levensduur van een batterij

Uiteindelijk identificeerden ze meer dan 2.000 individuele deeltjes, waarvoor ze niet alleen individuele deeltjeskenmerken zoals grootte, vorm en oppervlakteruwheid berekenden, maar ook meer globale eigenschappen, zoals hoe vaak deeltjes in direct contact met elkaar kwamen en hoe gevarieerd de vormen van de deeltjes waren.

Vervolgens keken ze hoe elk van die eigenschappen bijdroeg aan de afbraak van deeltjes, en er ontstond een opvallend patroon. Na 10 oplaadcycli waren de grootste factoren de eigenschappen van de afzonderlijke deeltjes, inclusief hoe bolvormig de deeltjes waren en de verhouding van het deeltjesvolume tot het oppervlak. Maar na 50 cycli zorgden paar- en groepsattributen - zoals hoe ver twee deeltjes van elkaar verwijderd waren, hoe gevarieerd hun vormen waren en of meer langwerpige, voetbalvormige deeltjes op dezelfde manier waren georiënteerd - tot deeltjesafbraak.

"Het is niet langer alleen het deeltje zelf, het zijn de deeltjes-deeltje interacties" die er toe doen, zei Liu. Dat is belangrijk, zei hij, omdat het betekent dat fabrikanten technieken kunnen ontwikkelen om dergelijke eigenschappen te beheersen. Ze kunnen bijvoorbeeld magnetische of elektrische velden gebruiken om langwerpige deeltjes met elkaar uit te lijnen, wat volgens de nieuwe resultaten zou resulteren in een langere levensduur van de batterij.

En, zei co-senior auteur en chemicus Feng Lin van Virginia Tech, de resultaten kunnen worden toegepast buiten de bijzonderheden van het huidige onderzoek. "Deze studie werpt echt licht op hoe we batterij-elektroden kunnen ontwerpen en produceren om een ​​lange levensduur van batterijen te verkrijgen," zei Lin. "We zijn verheugd om het begrip te implementeren in de volgende generatie, goedkope, snel opladende batterijen." + Verder verkennen

Studie onderzoekt sleutels tot het ontwikkelen van betere batterijen