Een nieuwe methode die is ontwikkeld voor het bestuderen van batterijstoringen, wijst op de mogelijke volgende stap in het verlengen van de levensduur en capaciteit van lithium-ionbatterijen, een weg openen naar een breder gebruik van deze batterijen in combinatie met hernieuwbare energiebronnen

Lithium-ionbatterijen voeden mobiele apparaten en elektrische auto's en helpen energie op te slaan uit hernieuwbare, maar intermitterende energiebronnen zoals wind en zon. Maar vele cycli van opladen en ontladen leiden tot batterijstoringen en capaciteitsverlies, hun gebruiksduur beperken.

Een nieuwe röntgentechniek die wordt gebruikt bij de Advanced Photon Source van het Amerikaanse Department of Energy heeft een verrassende dynamiek onthuld in de nanomechanica van werkende batterijen en suggereert een manier om batterijstoringen te verminderen door de opwekking van elastische energie te minimaliseren.

Lithiumionen belasten het materiaal terwijl ze tussen elektroden pendelen en kunnen zelfs de structuur veranderen, die tot gebreken leiden. Ontwerpen voor veerkrachtigere elektroden zullen gebaseerd zijn op fundamenteel begrip van de interacties tussen lithiumionen en elektroden binnen de structuur van een batterij. Maar tot nu toe zijn wetenschappers er niet in geslaagd om het gedrag van afzonderlijke nanodeeltjes in batterijen onder reële bedrijfsomstandigheden voldoende te karakteriseren.

Met behulp van coherente röntgendiffractieve beeldvorming, een team van onderzoekers voor het APS, de Universiteit van Californië-San Diego, SLAC National Accelerator Laboratory en het Center for Free-Electron Laser Science hebben de driedimensionale spanning in individuele nanodeeltjes in de elektroden van werkende knoopcelbatterijen in kaart gebracht, zoals die gevonden worden in horloges. In een onlangs gepubliceerd artikel in Nano-letters , het team rapporteerde bewijs dat de geschiedenis van laadcycli de spanningspatronen in afzonderlijke deeltjes van het elektrodemateriaal verandert.

Deze nieuwe benadering zal helpen om fundamentele processen bloot te leggen die ten grondslag liggen aan de overdracht van elektrische lading, inzicht dat zou kunnen helpen bij het ontwerpen van zuinige batterijen met een langere levensduur.

Deze ontdekking werd alleen mogelijk gemaakt door de mogelijkheid om het gebruik van CDI uit te breiden om het fietsen van batterijen onder gelezen bedrijfsomstandigheden te bestuderen.

Het APS is een van de weinige plaatsen waar dit onderzoek kan worden gedaan.

"Bragg Coherent Diffraction Imaging (Bragg-CDI) is een techniek die alleen het coherente deel van de bundel gebruikt. het kan enkele nanokristallen uitkiezen op basis van hun kristalstructuur, en breng de evolutie van de spanning in de nanostructuur in kaart terwijl de hele batterij wordt gefietst." zei Ross Harder, een auteur op de kranten en röntgenfysicus bij de APS. "De hoge helderheid van de APS bij hoge fotonenergieën is een noodzakelijke vereiste om dit soort onderzoek naar individuele nanodeeltjes in hun intacte matrix voort te zetten. De APS-upgrade met zal ons in staat stellen om nanoschaalsystemen van deze complexe aard te bekijken met orden van grootte verhoogde snelheid , gevoeligheid en resolutie, " zei Jörg Maser, co-auteur van de kranten en röntgenfysicus bij de APS.

Dit werk werd gefinancierd door het DOE Office of Science en een UC San Diego Chancellor's Interdisciplinary Collaborators Award. De APS is een DOE Office of Science User Facility in het Argonne National Laboratory.

Hyung-Man Cho en Jong Woo Kim, afgestudeerde studenten in materiaalkunde en techniek aan UC-Davis, Jörg Maser en Ross Harder van Argonne National Laboratory en Jesse Clark van SLAC National Accelerator Laboratory hebben bijgedragen aan dit werk, die werd geregisseerd door UC-Davis Shirley Meng, hoogleraar nanoengineering en Oleg Shpyrko hoogleraar natuurkunde.