Onderzoekers van WMG van de University of Warwick hebben een nieuwe directe, nauwkeurige test van de interne temperaturen van lithium-ionbatterijen en hun elektrodepotentialen en ontdekte dat de batterijen veilig tot vijf keer sneller kunnen worden opgeladen dan de huidige aanbevolen laadlimieten. De nieuwe technologie werkt in-situ tijdens de normale werking van een batterij zonder de prestaties te belemmeren en is getest op standaard in de handel verkrijgbare batterijen. Dergelijke nieuwe technologie zal vooruitgang in de wetenschap van batterijmaterialen mogelijk maken, flexibele batterij het laden tarieven, thermische en elektrische engineering van nieuwe batterijmaterialen/technologie en het heeft de potentie om te helpen bij het ontwerpen van energieopslagsystemen voor hoogwaardige toepassingen zoals autosport en netbalancering.

Als een batterij oververhit raakt, riskeert hij ernstige schade, met name aan de elektrolyt en kan zelfs leiden tot gevaarlijke situaties waarin de elektrolyt afbreekt om gassen te vormen die zowel ontvlambaar zijn als een aanzienlijke drukopbouw veroorzaken. Overladen van de anode kan leiden tot zoveel lithium-galvanisering dat het metaaldendrieten vormt en uiteindelijk de separator doorboort, wat een interne kortsluiting met de kathode en een daaropvolgende catastrofale storing veroorzaakt.

Om dit te voorkomen, fabrikanten bepalen een maximale oplaadsnelheid of -intensiteit voor batterijen op basis van wat zij denken dat de cruciale temperatuur en potentiële niveaus zijn die moeten worden vermeden. Tot nu toe is interne temperatuurtesten (en het verkrijgen van gegevens over het potentiaal van elke elektrode) in een batterij echter onmogelijk of onpraktisch gebleken zonder de prestaties van de batterijen aanzienlijk te beïnvloeden.

Fabrikanten waren aangewezen op een beperkte, externe instrumentatie. Deze methode is duidelijk niet in staat om nauwkeurige metingen te leveren, wat ertoe heeft geleid dat fabrikanten zeer conservatieve limieten hebben gesteld aan de maximale laadsnelheid of -intensiteit om ervoor te zorgen dat de batterij niet wordt beschadigd of in het ergste geval een catastrofale storing krijgt.

Onderzoekers van WMG aan de Universiteit van Warwick hebben echter een nieuwe reeks methoden ontwikkeld die directe, zeer nauwkeurige interne temperatuur- en "per-elektrode" statusbewaking van lithium-ionbatterijen van verschillende formaten en bestemmingen. Deze methoden kunnen worden gebruikt tijdens de normale werking van een batterij zonder de prestaties te belemmeren en ze zijn getest op in de handel verkrijgbare batterijen van autoklasse. De gegevens die door dergelijke methoden worden verkregen, zijn veel nauwkeuriger dan externe detectie en de WMG heeft kunnen vaststellen dat in de handel verkrijgbare lithiumbatterijen die tegenwoordig beschikbaar zijn, ten minste vijf keer sneller kunnen worden opgeladen dan de huidige aanbevolen maximale oplaadsnelheden.

De WMG-onderzoekers hebben deze maand (februari 2018) hun onderzoek gepubliceerd in Electrochimica Acta in een paper getiteld "De grenzen van snel opladen begrijpen met behulp van geïnstrumenteerde commerciële 18650 high-energy Li-ion-cellen."

Dr. Tazdin Amietszajew, de WMG-onderzoeker die dit onderzoek leidde, zei, "Dit zou enorme voordelen kunnen opleveren voor gebieden zoals autoracen, die duidelijke voordelen zouden behalen door de prestatielimieten te verleggen, maar het creëert ook enorme kansen voor consumenten en leveranciers van energieopslag. Zoals altijd gaat sneller opladen ten koste van de totale levensduur van de batterij, maar veel consumenten zouden graag de mogelijkheid hebben om de batterij van een voertuig snel op te laden wanneer korte reistijden vereist zijn en op andere momenten over te schakelen naar standaard oplaadperioden. Het hebben van die flexibiliteit in laadstrategieën kan consumenten zelfs/verder helpen profiteren van financiële prikkels van energiebedrijven die de levering van het net in evenwicht willen brengen met behulp van voertuigen die op het net zijn aangesloten.

"Deze technologie kan nu worden toegepast op commerciële batterijen, maar we moeten ervoor zorgen dat batterijbeheersystemen op voertuigen, en dat de infrastructuur die wordt aangelegd voor elektrische voertuigen, zijn in staat om variabele laadtarieven te accommoderen die deze nieuwe, nauwkeuriger afgestemde profielen/limieten zouden omvatten."

The technology the WMG researchers have developed for this new direct in-situ battery sensing employs miniature reference electrodes and Fibre Bragg Gratings (FBG) threaded through bespoke strain protection layer. An outer skin of fluorinated ethylene propylene (FEP) was applied over the fibre, adding chemical protection from the corrosive electrolyte. The result is a device that can have direct contact with all the key parts of the battery and withstand electrical, chemical and mechanical stress inflicted during the batteries operation while still enabling precise temperature and potential readings.

WMG Associate Professor Dr. Rohit Bhagat who was also one researchers on the paper said, "This method gave us a novel instrumentation design for use on commercial 18650 cells that minimises the adverse and previously unavoidable alterations to the cell geometry. The device included an in-situ reference electrode coupled with an optical fibre temperature sensor. We are confident that similar techniques can also be developed for use in pouch cells."

"Our research group in WMG has been working on a number of technological solutions to this problem and this is just the first that we have brought to publication. We hope to publish our work on other innovative approaches to this challenge within the next year."