Tekniikka, joka ohjaa nopeampien ja pidempään kestävien seuraavan sukupolven akkujen kehitystä

Puhtaat ja tehokkaat energian varastointitekniikat ovat välttämättömiä uusiutuvan energian infrastruktuurin perustamisessa.Litiumioniakut ovat jo hallitsevia henkilökohtaisissa elektroniikkalaitteissa, ja ne ovat lupaavia ehdokkaita luotettavaan verkkotason varastointiin ja sähköajoneuvoihin.Lisäkehitystä tarvitaan kuitenkin niiden latausnopeuksien ja käyttöiän parantamiseksi.

Tällaisten nopeammin latautuvien ja pidempään kestävien akkujen kehittämisen tukemiseksi tutkijoiden on kyettävä ymmärtämään toimivan akun sisällä tapahtuvia prosesseja tunnistaakseen akun suorituskyvyn rajoitukset.Tällä hetkellä aktiivisten akkumateriaalien visualisointi niiden toimiessa vaatii kehittyneitä synkrotroniröntgen- tai elektronimikroskopiatekniikoita, jotka voivat olla vaikeita ja kalliita, eivätkä useinkaan pysty kuvaamaan tarpeeksi nopeasti, jotta nopeasti latautuvissa elektrodimateriaaleissa tapahtuvat nopeat muutokset saadaan talteen.Tämän seurauksena ionidynamiikka yksittäisten aktiivisten hiukkasten pituusasteikolla ja kaupallisesti merkityksellisillä pikalatausnopeuksilla on suurelta osin tutkimatta.

Cambridgen yliopiston tutkijat ovat voineet tämän ongelman kehittämällä edullisen laboratoriopohjaisen optisen mikroskopiatekniikan litiumioniakkujen tutkimiseksi.He tutkivat yksittäisiä hiukkasia Nb14W3O44:stä, joka on yksi nopeimmin latautuvista anodimateriaaleista tähän mennessä.Näkyvä valo lähetetään akkuun pienen lasi-ikkunan läpi, jolloin tutkijat voivat seurata aktiivisten hiukkasten sisällä tapahtuvaa dynaamista prosessia reaaliajassa realistisissa epätasapainoisissa olosuhteissa.Tämä paljasti etuosan kaltaiset litiumpitoisuusgradientit, jotka liikkuivat yksittäisten aktiivisten hiukkasten läpi, mikä johti sisäiseen jännitykseen, joka aiheutti joidenkin hiukkasten murtumisen.Hiukkasmurtuma on ongelma akuille, koska se voi johtaa sirpaleiden sähköiseen irrotukseen, mikä vähentää akun varastointikapasiteettia."Tällaisilla spontaaneilla tapahtumilla on vakavia seurauksia akkuun, mutta niitä ei koskaan voitu havaita reaaliajassa ennen nyt", sanoo toinen kirjoittaja tohtori Christoph Schnedermann Cambridgen Cavendish-laboratoriosta.

Optisen mikroskopiatekniikan korkean suorituskyvyn ansiosta tutkijat pystyivät analysoimaan suurta hiukkaspopulaatiota, mikä paljastaa, että hiukkasten halkeilu on yleisempää, kun delitaatio on suurempi ja pidempiä hiukkasia."Nämä havainnot tarjoavat suoraan sovellettavia suunnitteluperiaatteita hiukkasten murtumisen ja kapasiteetin haalistumisen vähentämiseksi tässä materiaaliluokassa", sanoo ensimmäinen kirjoittaja Alice Merryweather, tohtorikandidaatti Cambridgen Cavendishin laboratorio- ja kemian osastolta.

Jatkossa menetelmän tärkeimmät edut – mukaan lukien nopea tiedonkeruu, yhden hiukkasen resoluutio ja korkea suorituskyky – mahdollistavat lisäselvityksen siitä, mitä tapahtuu, kun akut hajoavat ja miten se voidaan estää.Tekniikkaa voidaan soveltaa melkein minkä tahansa tyyppisten akkumateriaalien tutkimiseen, mikä tekee siitä tärkeän palapelin seuraavan sukupolven akkujen kehittämisessä.