Lithium-ionbatterijen staan ​​een beetje bekend om hun slechte prestaties bij koud weer, en dat heeft gevolgen voor enkele van hun belangrijkste toepassingen:van het starten van een elektrische auto in een winter in Wisconsin tot het vliegen met een drone op Mars.

Nu hebben onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een over het hoofd gezien aspect van het probleem geïdentificeerd:het opslaan van lithium-ionbatterijen bij temperaturen onder het vriespunt kan sommige delen van de batterij barsten en ze scheiden van omringende materialen, waardoor hun elektrische opslagcapaciteit wordt verminderd .

SLAC-wetenschapper Yijin Liu en postdoctoraal medestudent Jizhou Li deden de ontdekking terwijl ze keken naar de prestaties bij koud weer van de kathode, het deel van de batterij-elektronen die naar binnen stromen wanneer deze in gebruik is. Uit eerste onderzoeken bleek dat het opslaan van kathoden bij temperaturen onder nul graden Celsius ertoe leidde dat batterijen tot 5% meer van hun capaciteit verloren na 100 oplaadbeurten dan batterijen die bij warmere temperaturen werden bewaard.

Om te begrijpen waarom, wendden de onderzoekers zich tot een combinatie van röntgenanalysemethoden bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource en machine learning-technieken waar Li de afgelopen jaren aan heeft gewerkt. De combinatie stelt hen in staat om individuele kathodedeeltjes te identificeren - wat betekent dat het team duizenden deeltjes tegelijk kon bestuderen, vergeleken met slechts het handjevol dat ze alleen met hun ogen konden identificeren.

Samen onthulden die methoden dat koude temperaturen de gehaktbalachtige deeltjes in de kathode deden krimpen en ze tijdens het proces kraakten - of bestaande scheuren nog erger maakten, zei Liu. En omdat materialen verschillen in de manier waarop ze uitzetten en krimpen als reactie op veranderende temperaturen, maakte extreme kou ook de kathodes los van omringende materialen.

De resultaten wijzen op enkele mogelijke oplossingen, zei Liu. Door te zoeken naar batterijmaterialen die beter op elkaar zijn afgestemd wat betreft hun temperatuurrespons, kunnen wetenschappers het probleem van losraken aanpakken. Dit kan ook helpen bij het verbeteren van andere batterijen, aangezien alle batterijen uitzetten en krimpen als ze opwarmen en afkoelen. En door verschillende deeltjesstructuren in een batterij te ontwerpen - met name door ze op te bouwen uit gladdere, minder gehaktbalachtige deeltjes - zouden onderzoekers kunnen helpen barsten te voorkomen en de capaciteit van lithium-ionbatterijen op de lange termijn te verbeteren.