Schone en efficiënte technologieën voor energieopslag zijn essentieel voor het opzetten van een infrastructuur voor hernieuwbare energie. Lithium-ionbatterijen zijn al dominant in persoonlijke elektronische apparaten en zijn veelbelovende kandidaten voor betrouwbare opslag op netniveau en elektrische voertuigen. Er is echter verdere ontwikkeling nodig om hun laadsnelheden en bruikbare levensduur te verbeteren.

Om de ontwikkeling van dergelijke sneller opladende en duurzamere batterijen te ondersteunen, moeten wetenschappers de processen die plaatsvinden in een werkende batterij kunnen begrijpen, om de beperkingen van de batterijprestaties te identificeren. Momenteel vereist het visualiseren van de actieve batterijmaterialen zoals ze werken geavanceerde synchrotron-röntgen- of elektronenmicroscopietechnieken, die moeilijk en duur kunnen zijn en vaak niet snel genoeg kunnen worden afgebeeld om de snelle veranderingen die optreden in snelladende elektrodematerialen vast te leggen. Als gevolg hiervan blijft de ionendynamiek op de lengteschaal van individuele actieve deeltjes en bij commercieel relevante snellaadsnelheden grotendeels onontgonnen.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben dit probleem overwonnen door een goedkope, in het laboratorium gebaseerde optische microscopietechniek te ontwikkelen om lithium-ionbatterijen te bestuderen. Ze onderzochten individuele deeltjes Nb₁₄ W₃ O₄₄ , dat tot nu toe een van de snelst opladende anodematerialen is. Zichtbaar licht wordt door een klein glazen venster naar de batterij gestuurd, waardoor de onderzoekers het dynamische proces in de actieve deeltjes in realtime kunnen bekijken onder realistische niet-evenwichtsomstandigheden. Dit onthulde frontachtige lithiumconcentratiegradiënten die door de afzonderlijke actieve deeltjes bewegen, wat resulteerde in interne spanning waardoor sommige deeltjes scheurden.

Deeltjesbreuk is een probleem voor batterijen, omdat het kan leiden tot elektrische ontkoppeling van de fragmenten, waardoor de opslagcapaciteit van de batterij wordt verminderd. "Dergelijke spontane gebeurtenissen hebben ernstige gevolgen voor de batterij, maar konden tot nu toe nooit in realtime worden waargenomen", zegt co-auteur Dr. Christoph Schnedermann van Cambridge's Cavendish Laboratory.

Dankzij de hoge doorvoercapaciteit van de optische microscopietechniek konden de onderzoekers een grote populatie deeltjes analyseren, waaruit bleek dat het kraken van deeltjes vaker voorkomt bij hogere delithiatiesnelheden en bij langere deeltjes. "Deze bevindingen bieden direct toepasbare ontwerpprincipes om deeltjesbreuk en capaciteitsvervaging in deze klasse van materialen te verminderen", zegt eerste auteur Alice Merryweather, een Ph.D. kandidaat bij Cambridge's Cavendish Laboratory and Chemistry Department.

In de toekomst zullen de belangrijkste voordelen van de methodologie, waaronder de snelle data-acquisitie, resolutie van één deeltjes en hoge doorvoercapaciteiten, verdere verkenning mogelijk maken van wat er gebeurt als batterijen falen en hoe dit te voorkomen. De techniek kan worden toegepast om bijna elk type batterijmateriaal te bestuderen, waardoor het een belangrijk puzzelstukje is bij de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Materials . + Verder verkennen

Goedkope beeldtechniek laat zien hoe smartphonebatterijen in minuten kunnen worden opgeladen