Batterijen worden veel gebruikt in alledaagse toepassingen zoals het aandrijven van elektrische voertuigen, elektronische gadgets en zijn veelbelovende kandidaten voor duurzame energieopslag. Echter, zoals je waarschijnlijk hebt gemerkt bij het dagelijks opladen van batterijen, hun functionaliteit neemt na verloop van tijd af. Eventueel, we moeten deze batterijen vervangen, wat niet alleen duur is, maar ook de zeldzame aardelementen die bij het maken ervan worden gebruikt, uitput.

Een belangrijke factor bij het verminderen van de levensduur van de batterij is de verslechtering van de structurele integriteit van een batterij. Om structurele degradatie tegen te gaan, een team van onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering hoopt "rek" in batterijmaterialen te introduceren, zodat ze herhaaldelijk kunnen worden gefietst zonder structurele vermoeidheid. Dit onderzoek werd geleid door Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan Universitair Docent Lucht- en Ruimtevaarttechniek, en USC Viterbi PhD-kandidaat, Delin Zhang, evenals Brown University-onderzoekers van de groep van professor Brian Sheldon. Hun werk werd gepubliceerd in de Journal of Mechanics and Physics of Solids .

Een typische batterij werkt door een repetitieve cyclus van het inbrengen en extraheren van Li-ionen van elektroden, zei Zhang. Deze insertie en extractie zet uit en comprimeert de elektroderoosters. Deze volumeverschuivingen zorgen voor microscheurtjes, breuken en defecten in de tijd.

"Deze microscheuren en breuken in het batterijmateriaal zullen leiden tot structurele degradatie, die uiteindelijk de batterijcapaciteit zal verminderen, " zei Zhang. "Uiteindelijk, de batterij zal moeten worden vervangen door een nieuwe."

Om dit te ontmoedigen, Zhang, die intercalatiematerialen bestudeert - een klasse materialen die worden gebruikt als elektroden in lithium-ionbatterijen - rekt deze intercalatie-elektroden van tevoren. Deze verandering in de initiële spanningstoestand regelt de fasetransformatiespanningen, waardoor de elektroden veerkrachtiger worden tegen breuk of amorfisatie (waarbij de kristallijne eigenschappen verloren gaan).

Bredere spanning, grotere capaciteit

Fase transformaties, wanneer de batterijmaterialen van fysieke vorm veranderen, resultaat van de cyclus van uitzetting en compressie die gepaard gaat met dagelijks opladen en gebruik. Zei Zhang:"Deze fasetransformaties kunnen de elektroden gevoeliger maken voor structurele degradatie, vooral wanneer het proces zo vaak wordt herhaald."

Omkeerbaarheid van fasen is essentieel om ervoor te zorgen dat batterijen in de loop van de tijd hun efficiënte functionaliteit behouden. Renuka-Balakrishna zei:"Omkeerbaarheid wordt het meest verbeterd door ervoor te zorgen dat het materiaal in zijn kristallijne vorm blijft. Bij bepaalde spanningen, wanneer de materialen van de ene fase naar de andere gaan, ze kunnen poederig worden, wat niet ideaal is voor een efficiënte werking van de batterij."

Zo vroegen de onderzoekers zich af:"Is er een manier om batterijmaterialen in hun kristallijne vorm te houden terwijl ze heen en weer fietsen tussen energielandschappen?" Het antwoord:de structuur van de materialen veranderen door een initiële spanningstoestand in te voeren.

Zei Zhang:"Door de elektroden uit te rekken voordat ze worden opgeladen en ontladen, we veranderen het energielandschap waarover een elektrode van de geladen naar de ontladen toestand gaat. Deze initiële spanning stelt ons in staat om de energiebarrière voor deze transformaties te verminderen en schadelijke roostervervormingen te voorkomen die leiden tot materiaalfalen. Deze verandering in het energielandschap helpt microscheuren en breuken te voorkomen, het beschermen van de duurzaamheid en energieopslagcapaciteit van de batterij."

Een bijkomend voordeel, Renuka-Balakrishna zei:is dat door de elektroden uit te rekken, de batterij kan ook in een breder spanningsvenster werken, waardoor het efficiënter is in zijn energieopslagcapaciteit.

Uitdagingen van moderne energieopslag

Een van de belangrijkste zorgen van de energieopslaggemeenschap, Renuka-Balakrishna zei:verwijdert zich van ontvlambare vloeibare elektrolyten die doorgaans in batterijen worden gebruikt en plaatst ze in vaste materialen. "Dit brengt nieuwe uitdagingen met zich mee, " ze zei.

Vaste voorwerpen, zoals we allemaal weten, kan in de loop van de tijd verslechteren bij herhaaldelijke stress. Zodra een scheur is geïntroduceerd, de twee zijden van een oppervlak zullen het contact verliezen. In het geval van de batterij, het creëert een eenvoudig mechanisch probleem; zonder de verbinding, het is moeilijk om ionen door het materiaal te transporteren, zei Renuka-Balakrishna.

Benaderingen zoals die geïdentificeerd door Zhang zijn een poging om vooruit te gaan naar veiliger, duurzamere batterijen terwijl we deze mechanische uitdaging aangaan. De nieuwigheid van deze aanpak is dat in plaats van een nieuw materiaal te vinden om de levensduur van de batterij te verbeteren, je kunt de levensduur van een bestaand materiaal verbeteren door fundamentele mechanische concepten te introduceren om hun levensduur te verbeteren, aldus de onderzoekers.

"Mechanica is niet altijd een integraal onderdeel geweest van de ontwikkeling van batterijen, "Zei Renuka-Balakrishna. "Maar nu kunnen ingenieurs spelen met deze theorie/tool ​​die Zhang heeft gemaakt en werken om de levensduur van batterijmaterialen te verbeteren."

Het verbeteren van de levensduur van batterijen zou ten goede komen aan gebruikers van elektronische apparaten en elektrische voertuigen, waardoor een langer gebruik van apparaten mogelijk zou zijn en het vervangen van batterijen tot een minimum zou worden beperkt, zei Zhang. Gezien de kosten van een lithium-ionbatterij, het kan gebruikers in de loop van de tijd ook veel geld besparen.

Meer dan dat, Zhang zei dat duurzame energieopslag een belangrijk onderdeel is van het verminderen van de uitstoot van schadelijke broeikasgassen en het verminderen van batterijafval, en we hopen dat we met ons werk een nieuwe onderzoekslijn openen om de materiële omkeerbaarheid te verbeteren.