De Canadese Light Source (CLS)-onderzoeker Toby Bond gebruikt röntgenstralen om krachtige accu's voor elektrische voertuigen te ontwikkelen met een langere levensduur. Zijn onderzoek, gepubliceerd in het Journal of the Electrochemical Society , laat zien hoe de laad-/ontlaadcycli van batterijen fysieke schade veroorzaken, wat uiteindelijk leidt tot verminderde energieopslag. Dit nieuwe werk wijst op een verband tussen scheuren die zich in het batterijmateriaal vormen en de uitputting van vitale vloeistoffen die lading dragen.

Bond gebruikt de BMIT-faciliteit bij de Canadian Light Source aan de Universiteit van Saskatchewan om gedetailleerde CT-scans van de binnenkant van batterijen te maken. Hij werkt samen met Dr. Jeff Dahn aan de Dalhousie University en is gespecialiseerd in batterijen voor elektrische voertuigen, waarbij het belangrijk is om zoveel mogelijk energie in een lichtgewicht apparaat te stoppen.

"Een groot nadeel van het inpakken van meer energie is dat hoe meer energie je erin stopt, hoe sneller de batterij achteruitgaat", zegt Bond.

In lithium-ionbatterijen komt dit omdat het opladen fysiek lithiumionen tussen andere atomen in het elektrodemateriaal dwingt, waardoor ze uit elkaar worden gedrukt. Het toevoegen van meer lading veroorzaakt meer groei in de materialen, die weer krimpen wanneer de lithiumionen vertrekken. Gedurende vele cycli van dit groeien en krimpen, beginnen zich microscheurtjes in het materiaal te vormen, waardoor het vermogen om een ​​lading vast te houden langzaam afneemt.

"Het kan er uiteindelijk voor zorgen dat de materialen in de batterij van binnenuit afbrokkelen. Als het erg genoeg wordt, kan het ervoor zorgen dat delen van de batterij binnenin zichzelf loslaten", zegt Bond. "En als het grote schade aan de batterij veroorzaakt, kan dat ook een veiligheidsprobleem worden."

Het bestuderen van dit probleem, en hoe effectief coatings en andere behandelingen zijn om het te stoppen, is al lange tijd belangrijk in het veld. Traditioneel werden de scheuren in een batterij bestudeerd door de batterij uit elkaar te halen en afzonderlijke deeltjes onder een elektronenmicroscoop te bekijken. Dit vernietigt de batterij, zodat onderzoekers de grotere structuur niet kunnen behouden en kunnen zien welke andere effecten dit kraken op de rest van de batterij kan hebben.

Door röntgenbeeldvorming bij de CLS te gebruiken, zegt Bond dat onderzoekers deze effecten in context kunnen bestuderen en kunnen zien hoe kraken veranderingen in de rest van de batterij veroorzaakt. In deze studie ontdekten de onderzoekers dat naarmate de microscheurtjes in de batterij erger werden, de vloeistoffen in de cel in de extra ruimte tussen de scheuren werden gezogen, waardoor er mogelijk niet genoeg vloeistof overblijft om rond te gaan.

"Dit is de eerste keer dat iemand al deze effecten samen kan vastleggen in een werkende batterij", zegt Bond. "Deze uitputting van vloeibaar elektrolyt kan ernstige problemen veroorzaken, aangezien elk deel van de batterij dat niet genoeg vloeistof krijgt in feite zou stoppen met werken."

In deze studie bestudeerden Bond en collega's batterijen die in de loop der jaren continu waren opgeladen en ontladen tot verschillende niveaus, naast overigens identieke batterijen die helemaal niet waren gebruikt. Dankzij de 3D-röntgenscans die ze verzamelden met het heldere, gefocuste licht van BMIT, konden ze precies zien hoe verschillende materialen werden beïnvloed door het gebruik, zowel op microscopische schaal als in de hele batterij.

Een praktische afhaalmaaltijd? Het team ontdekte dat een kleine hoeveelheid leeglopen van de batterij minder verslechtering veroorzaakte dan de batterij helemaal ontladen. Dit komt waarschijnlijk omdat een kleinere verandering in lading na verloop van tijd minder fysieke belasting van de batterij-elektrodematerialen veroorzaakt. Dit effect is belangrijk om te begrijpen voor nieuwe toepassingen zoals langeafstandsvervoer, elektrische vliegtuigen en het gebruik van geparkeerde elektrische voertuigen om energie op te slaan en aan het elektriciteitsnet te leveren. Deze scenario's vereisen vaak dat meer van de volledige capaciteit van de batterij wordt gebruikt voordat deze wordt opgeladen.

"Nu we steeds meer door verbrandingsmotoren aangedreven voertuigen gaan vervangen door elektrische voertuigen, is het erg belangrijk om te begrijpen hoe batterijen zich onder verschillende omstandigheden zullen gedragen", zegt Bond. "Het is heel opwindend om aan deze problemen te werken, en we hebben echt tools zoals synchrotrons nodig om de fijne details te begrijpen van wat er in de batterij gebeurt wanneer we nieuwe benaderingen uitproberen." + Verder verkennen

Wetenschappers identificeren nog een reden waarom batterijen niet binnen enkele minuten kunnen worden opgeladen