Чистые и эффективные технологии хранения энергии необходимы для создания инфраструктуры возобновляемых источников энергии.Литий-ионные батареи уже доминируют в персональных электронных устройствах и являются многообещающими кандидатами для надежного хранения на уровне сети и электромобилей.Тем не менее, необходимы дальнейшие разработки для улучшения скорости их зарядки и срока службы.
Чтобы помочь в разработке таких быстро заряжающихся и долговечных аккумуляторов, ученым необходимо понять процессы, происходящие внутри работающего аккумулятора, чтобы определить ограничения производительности аккумулятора.В настоящее время для визуализации активных материалов батареи в процессе их работы требуются сложные методы синхротронного рентгеновского излучения или электронной микроскопии, которые могут быть сложными и дорогими, и часто не могут отображать достаточно быстро, чтобы зафиксировать быстрые изменения, происходящие в материалах быстро заряжающихся электродов.В результате динамика ионов в масштабе длины отдельных активных частиц и при коммерчески значимых скоростях быстрой зарядки остается в значительной степени неизученной.
Исследователи из Кембриджского университета решили эту проблему, разработав недорогой лабораторный метод оптической микроскопии для изучения литий-ионных аккумуляторов.Они исследовали отдельные частицы Nb14W3O44, который на сегодняшний день является одним из самых быстро заряжающихся анодных материалов.Видимый свет направляется в батарею через небольшое стеклянное окно, что позволяет исследователям наблюдать за динамическим процессом внутри активных частиц в режиме реального времени в реалистичных неравновесных условиях.Это выявило фронтальные градиенты концентрации лития, движущиеся через отдельные активные частицы, что приводило к внутреннему напряжению, которое вызывало разрушение некоторых частиц.Разрушение частиц представляет собой проблему для аккумуляторов, поскольку может привести к электрическому отключению фрагментов, уменьшая емкость аккумулятора.«Такие спонтанные события имеют серьезные последствия для батареи, но до сих пор их нельзя было наблюдать в режиме реального времени», — говорит соавтор доктор Кристоф Шнедерманн из Кембриджской Кавендишской лаборатории.
Высокопроизводительные возможности метода оптической микроскопии позволили исследователям проанализировать большую популяцию частиц, обнаружив, что растрескивание частиц чаще встречается при более высоких скоростях делитирования и более длинных частицах.«Эти результаты обеспечивают непосредственно применимые принципы проектирования для уменьшения разрушения частиц и потери емкости в этом классе материалов», — говорит первый автор Элис Мерривезер, кандидат наук в Кавендишской лаборатории Кембриджа и на химическом факультете.
В дальнейшем ключевые преимущества методологии, в том числе быстрый сбор данных, разрешение отдельных частиц и высокая пропускная способность, позволят глубже изучить, что происходит, когда батареи выходят из строя, и как это предотвратить.Этот метод можно применять для изучения практически любого типа материала батареи, что делает его важной частью головоломки при разработке батарей следующего поколения.
Время публикации: 17 сентября 2022 г.