Een nieuwe flinterdunne radiofrequentiedetector die is ontworpen om in een lithium-ionbatterij te werken, geeft informatie over de gezondheid van de batterij tijdens het opladen en ontladen.

"Het zou onderzoekers in staat kunnen stellen om de functie en capaciteit van een batterij na jaren opslag te controleren zonder deze te vernietigen, " zei Eric Sorte, een natuurkundige bij Sandia National Laboratories.

Het werk, gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma, zal onderzoekers helpen batterijen beter te begrijpen en te karakteriseren om ze te verbeteren voor hernieuwbare opslag en nationale veiligheidstoepassingen. Fabrikanten kunnen dit op een dag ook gebruiken om diagnostische tests uit te voeren, zei Sorte.

Magnetische resonantiedetector verplaatst in batterij

Zoals een lithium-ionbatterij een elektronisch apparaat van stroom voorziet en vervolgens oplaadt, er vinden binnenin chemische en fysieke veranderingen plaats die de functie ervan in de loop van de tijd verminderen. Moleculaire nevenproducten worden gevormd als lithiumionen zich nestelen in elke elektrode en deze verlaten. Deze moleculen kunnen het actieve lithium verbruiken en de capaciteit van een batterij verminderen. Elektroden kunnen ook ongewenste chemische veranderingen ondergaan, hun vermogen om opgeladen te blijven verminderen. Microscopisch kleine lithiumpieken kunnen groeien vanaf een elektrodeoppervlak, verbruiken belangrijke ladingdragende ionen en creëren mogelijk ontvlambare omstandigheden.

Terwijl onderzoekers werken aan het verbeteren van de prestaties van lithium-ionbatterijen, ze tweaken de chemische componenten van een batterij en laten het systeem door vele ladingen en ontladingen lopen. Daarna openen ze de batterij en onderzoeken de materialen onder een microscoop om te zien hoe hun structuur en samenstelling zijn veranderd.

Onderzoekers zouden die informatie veel sneller kunnen krijgen als ze de omstandigheden in een batterij zouden kunnen volgen terwijl deze wordt opgeladen en ontladen. Een manier waarop ze dat momenteel doen, is met een techniek die dezelfde principes gebruikt als magnetische resonantiebeeldvorming in ziekenhuizen. Deze methode geeft aanwijzingen voor de structuur en omgeving van een molecuul door te kijken naar signalen van een specifiek element in dat molecuul.

Zo werkt het:Ten eerste, het instrument zendt een puls van radiogolven uit die is afgestemd op interactie met een specifieke atoomkern in elementen zoals lithium, zwavel of waterstof. Als een kern terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, het geeft een signaal af dat voorspelbaar verandert afhankelijk van de omgeving van een atoom.

Onderzoekers hebben deze techniek eerder gebruikt om naar chemische veranderingen in batterijen te kijken, maar ze moesten batterijcomponenten aanpassen op manieren die niet bestaan ​​in werkende batterijen. Deze nieuwe detector, gemaakt door Sorte samen met Sandia materiaalwetenschapper Todd Alam en andere collega's, is ontworpen om in batterijen te werken, omdat ze zijn gemaakt voor dagelijks gebruik. Het is dunner dan een vel papier en kan zo gemaakt worden dat het in een batterij van elke vorm past.

De onderzoekers hebben het al in een in de handel verkrijgbare batterij gestopt. Ze stellen zich voor dat ze op een dag de detectorstrip in een batterij steken tijdens de productie, het bevat dus al het onderdeel dat nodig is voor een snelle gezondheidscontrole.

Specifieke signalen van moleculaire componenten duiden op lading, chemische veranderingen

Met behulp van deze detector Sorte en zijn collega's kunnen unieke signalen voor lithiumionen zien terwijl ze interageren met het materiaal in elke elektrode. Hierdoor kunnen ze bijhouden hoeveel lading een batterij vasthoudt tijdens herhaalde laad- en ontlaadcycli; afnemende capaciteit is een teken dat een batterij aan het sterven is.

De onderzoekers kunnen ook unieke signalen zien van moleculen die worden geproduceerd tijdens nevenreacties terwijl een batterij werkt. Ze kunnen deze moleculaire nevenproducten volgen en vervolgens de chemische componenten van een batterij aanpassen om ongewenste reacties te verminderen. Deze veranderingen kunnen hen helpen batterijen te verbeteren zodat ze eigenschappen hebben die nodig zijn voor toepassingen zoals grootschalige opslag van hernieuwbare energie. Fabrikanten zouden dit apparaat op een dag ook kunnen gebruiken om diagnostische tests op batterijen uit te voeren, zei Sorte.

Dezelfde benadering en detectorstrip kunnen ook worden gebruikt om naar de interne werking van vanadiumstroombatterijen en andere chemie te kijken, hij voegde toe. Sorte werkt ook aan het bewaken van de innerlijke levensduur van een batterij met behulp van de reeds aanwezige elektroden, zodat er geen extra componenten nodig zijn.