Een team van Purdue University heeft onderzoek gepubliceerd waarin de relatie tussen de actieve en inactieve elementen van lithium-ionbatterijen wordt onderzocht. en hoe de micro- en nanostructuur van hun respectieve ingrediënten een weerspiegeling zijn van de prestaties en veiligheid van de batterijen.

Het onderzoek stond onlangs op de voorkant van het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces .

"Oplaadbare batterijen zijn overal, " zei Partha Mukherjee, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en hoofdonderzoeker van het onderzoek. "We hebben waarschijnlijk altijd twee of drie draagbare elektronica bij ons. Maar de interacties tussen de verschillende elementen van de batterij zelf zijn nog steeds niet duidelijk. Mijn onderzoek hoopt die kloof te overbruggen."

In het laboratorium van Mukherjee, het Laboratorium voor Energie- en Transportwetenschappen (ETSL), onderzoekers bestuderen alle vormen van energietransport en -opslag, inclusief batterijen en brandstofcellen. Ze gebruiken computermodellering om nieuwe configuraties van de betrokken samenstellende elementen voor te stellen en vervolgens verschillende fenomenen in het laboratorium te testen.

"Het is alsof je een cake bakt, " zei Aashutosh Mistry, een doctoraat kandidaat werktuigbouwkunde. "Hoeveel deeg moet je gebruiken? Hoeveel kers moet je erin doen zodat het lekker smaakt? Op dezelfde manier, we kijken naar de fundamentele verhoudingen, of het recept, van deze batterij-elektroden. Alles wat je op microschaal verandert, heeft uiteindelijk invloed op de algehele prestaties."

"Laten we elektrische voertuigen nemen, bijvoorbeeld, ' zei Mukherjee. 'Mensen zijn in drie dingen geïnteresseerd. Prestaties:hoe hard mag ik met mijn auto rijden? Levensduur:hoe lang kan ik met mijn auto rijden voordat ik hem oplaad? En tenslotte, bezorgdheid over de veiligheid. We hebben deze batterijen publiekelijk zien falen, op spectaculaire manieren, exploderen in smartphones en elektrische auto's. Dus, alle drie deze aspecten - prestatie, leven, en veiligheid - zijn erg belangrijk. Het kan een lastige balans zijn om alles precies goed te krijgen."

soms werkt hun lab met opzet aan het opnieuw creëren van de spectaculaire mislukkingen. In een typische elektrische auto, de batterijen zijn niet één grote eenheid, maar duizenden individuele cellen met elkaar verbonden. Als er een faalt, wat gebeurt er met de anderen in de buurt? Voor een proef, een voorbeeldmodule van 24 cellen (ongeveer de grootte van een baksteen) werd met opzet overladen. Een cel explodeerde, wat leidde tot een kettingreactie waarbij alle cellen in brand vlogen.

"De temperatuur en druk in één cel werden zo hoog, het smolt de metalen behuizing, die in brand vloog, " zei promovendus Daniel Robles, terwijl hij een plastic zak met de verkoolde resten vasthield. "In een elektrische auto er zijn enkele duizenden van deze cellen, en deze bevinden zich onder je stoel! Daarom is het belangrijk om de fundamenten van deze verschijnselen te begrijpen, zodat we het kunnen voorkomen."

Oplaadbare batterijen bevatten meestal een positieve elektrode en een negatieve elektrode, bestaande uit "actief materiaal" om lithium op te slaan. Tussen de twee elektroden zit een separator, en er is overal vloeibaar elektrolyt, lithiumionen te transporteren. Eindelijk, een combinatie van elektrochemisch inactieve materialen, zoals geleidende additieven en bindmiddelen (de "secundaire fase" genoemd) helpen de fysieke ingrediënten in de samengestelde poreuze elektroden vorm te geven en de elektrische geleidbaarheid te verbeteren. In het gepubliceerde onderzoek Mukherjee en zijn team onderzoeken de relatie tussen het actieve materiaal en de secundaire fase op micro- en nanoschaal - de porositeit, de fysieke vormen, en hun interacties met elkaar. Het wijzigen van een van deze kenmerken resulteert in aanzienlijke veranderingen in de algehele prestaties van de batterij.

"We bevinden ons nog in een ontluikend stadium in het begrijpen van deze complexe interacties, ' zei Mukherjee. 'Maar dat is de sleutel tot ons onderzoek. We verbinden wat er op micro- en nanoschaal gebeurt met de prestaties van de batterij, leven, en veiligheid."

En naarmate oplaadbare batterijen steeds populairder worden, hun onderzoek wordt nog belangrijker. "Overal worden batterijen gebruikt, van draagbare elektronica tot voertuigen, en zelfs in grootschalige elektriciteitsnetten. Dit is een geweldige en spannende tijd om onderzoek te doen naar energieopslag."