Zien is geloven - of beter gezegd, zien kan helpen bij het begrijpen, vooral als het gaat om de mechanismen die ten grondslag liggen aan lithium-ionbatterijen. Ondanks het bijna alomtegenwoordige gebruik in mobiele telefoons, computers en meer, blijven de complexe elektrochemische omgevingen van lithium-ionbatterijen duister.

Om de batterijprestaties beter te begrijpen en te verbeteren, hebben onderzoekers de huidige wetenschappelijke literatuur bestudeerd en elektronenmicroscopie gebruikt om de mechanismen voor ladingsoverdracht en lithium-ionmigratie die stroom produceren nader te bekijken. Deze studie is gepubliceerd in Nano Research Energy .

"Commerciële lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt als apparaten voor energieopslag, waaronder elektrische voertuigen, draagbare elektronica en energieopslag", zegt Yi Ding, een professor aan de Tianjin University of Technology. "Energie, vermogen, laad-ontlaadsnelheid, kosten, levensduur, veiligheid en impact op het milieu moeten worden overwogen bij het gebruik van lithium-ionbatterijen voor een geschikte toepassing, maar elke specifieke toepassing staat voor verschillende uitdagingen."

De hoeveelheid opgeslagen energie is belangrijk voor draagbare elektronica, terwijl kosten en veiligheid belangrijker zijn voor bijvoorbeeld elektrische voertuigen. Kosten en veiligheid zijn ook belangrijk voor de behoeften van het energienet, maar de energiedichtheid wordt minder dan voor elektrische voertuigen. De afweging tussen deze elementen verschuift op basis van behoefte, maar het vermogen om de prestaties af te stemmen wordt beperkt door een onvolledig begrip van de materialen die in batterijen worden gebruikt.

"De actieve elektrodematerialen zijn het belangrijkste deel dat verantwoordelijk is voor de celchemie en -prestaties en hebben uiteindelijk invloed op de commercialisering van de geconstrueerde batterij", zei Ding.

"De prestaties, zoals levensduur en energiedichtheid, van bestaande commerciële elektrodemateriaalsystemen moeten nog worden verbeterd, dus het is belangrijk om de inherente fysische en chemische eigenschappen te begrijpen, zoals structurele evolutie / kinetiek tijdens lithiumde-inbedding en de effect van elektrode-elektrolyt-interface op de prestaties van lithium-ionbatterijen."

De onderzoekers beoordeelden recente ontwikkelingen in elektronenmicroscopie om te zien hoe traditionele karakteriseringstechnieken zich meten als het gaat om het begrijpen van de structuur-activiteitsrelaties van commerciële lithium-ionbatterijen.

"Door te vergelijken met de karakteriseringsinhoud verkregen door traditionele karakteriseringstechnieken, zoals röntgendiffractie en röntgenfoto-elektronspectroscopie, illustreren we de voordelen en beperkingen van gewone elektronische microscopen en recent ontwikkelde geavanceerde elektronische microscopische karakteriseringstechnieken, zoals in situ elektronen microscopietechnologie, in dit kritische onderzoek," zei Ding.

De onderzoekers onderzochten hoe geavanceerde elektronenmicroscopie en de bijbehorende karakteriseringstechnieken verschillende inzichten kunnen geven in hoe bijvoorbeeld lithiumionen migreren in de batterij om lading te produceren of hoe ladingsoverdracht energiegebruik kan veroorzaken.

Ze richtten zich specifiek op het oplossen van overgangsmetaal en het mechanisme voor ladingsoverdracht in het laad-ontlaadproces van positieve elektroden van lithium-ionbatterijen; de structuur en evolutie van kathode-elektrode-interfaces en vaste elektrolyt-interfase tijdens langdurige cycli; en het effect van elektrodestructuur en interface op lithium-ionmigratie.

De conclusie is volgens Ding dat er behoefte is aan de volgende generatie lithium-ionbatterijtechnologieën met betere kosten- en prestatievoordelen.

"We stellen de mogelijkheid voor om elektronenmicroscopie te combineren met andere technieken om meer uitgebreide informatie te verkrijgen," zei Ding, en merkte op dat elektronenmicroscopie drie algemene beperkingen heeft bij het beoordelen van batterijen.

Deze omvatten inconsistente elektrochemische omgevingen tussen elektronenmicroscopievelden en daadwerkelijke batterijen; onstabiele tijdvensters die gegevens met betrekking tot de evolutie van de steekproef kunnen vertekenen; en bepaalde batterijen kunnen op nanoschaal niet kwantitatief worden beoordeeld. "Zelfs met beperkingen, stellen deze discussies onderzoekers in staat een dieper inzicht te krijgen in hoe commerciële lithium-ionbatterijen op microschaal werken en richtlijnen te geven voor ontwerpstrategieën voor krachtige praktische batterijen", merkten de onderzoekers op. + Verder verkennen

Reactieve elektrolytadditieven verbeteren de prestaties van lithium-metaalbatterijen