Чистые и эффективные технологии хранения энергии необходимы для создания инфраструктуры возобновляемых источников энергии.Литий-ионные аккумуляторы уже доминируют в персональных электронных устройствах и являются многообещающими кандидатами для надежного хранения энергии на уровне сети и электромобилей.Тем не менее, необходимы дальнейшие разработки для улучшения их скорости зарядки и срока службы.
Чтобы помочь в разработке таких аккумуляторов с более быстрой зарядкой и более длительным сроком службы, ученым необходимо понять процессы, происходящие внутри работающей батареи, чтобы определить ограничения ее производительности.В настоящее время для визуализации активных материалов аккумуляторов в процессе их работы требуются сложные методы синхротронного рентгеновского излучения или электронной микроскопии, которые могут быть трудными и дорогостоящими и часто не позволяют получать изображения достаточно быстро, чтобы уловить быстрые изменения, происходящие в материалах быстрозаряжающихся электродов.В результате динамика ионов в масштабе длины отдельных активных частиц и при коммерчески значимых скоростях быстрой зарядки остается в значительной степени неисследованной.
Исследователи из Кембриджского университета преодолели эту проблему, разработав недорогой лабораторный метод оптической микроскопии для изучения литий-ионных батарей.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 динамическими процессами внутри активных частиц в режиме реального времени в реалистичных неравновесных условиях.Это выявило фронтальные градиенты концентрации лития, движущиеся через отдельные активные частицы, что привело к внутренней деформации, которая привела к разрушению некоторых частиц.Разрушение частиц является проблемой для аккумуляторов, поскольку может привести к электрическому отключению фрагментов, снижая емкость аккумулятора.«Такие спонтанные события имеют серьезные последствия для батареи, но до сих пор их невозможно было наблюдать в реальном 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 в более длинных частицах.«Эти результаты обеспечивают непосредственно применимые принципы проектирования, позволяющие уменьшить разрушение частиц и снижение емкости в этом классе материалов», — говорит первый автор Элис Мерривезер, кандидат наук в Кавендишской лаборатории и химическом факультете Кембриджа.
В дальнейшем ключевые преимущества методологии, в том числе быстрый сбор данных, одночастичное разрешение и высокая пропускная способность, позволят продолжить изучение того, что происходит, когда батареи выходят из строя, и как это предотвратить.Этот метод можно применить для изучения практически любого типа материала батареи, что делает его важной частью головоломки при разработке батарей следующего поколения.
Время публикации: 17 сентября 2022 г.