เทคนิคเพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาแบตเตอรี่รุ่นใหม่ที่เร็วและยาวนานขึ้น

เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพมีความสำคัญต่อการสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานหมุนเวียนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคลอยู่แล้ว และมีแนวโน้มว่าจะเป็นตัวเลือกสำหรับการจัดเก็บระดับกริดและยานพาหนะไฟฟ้าที่เชื่อถือได้อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงอัตราการชาร์จและอายุการใช้งาน

เพื่อช่วยในการพัฒนาแบตเตอรี่ที่ชาร์จเร็วขึ้นและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องสามารถเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ที่ใช้งาน เพื่อระบุข้อจำกัดของประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในปัจจุบัน การแสดงภาพวัสดุแบตเตอรี่แบบแอคทีฟขณะทำงานต้องใช้เทคนิคเอ็กซ์เรย์ซิงโครตรอนหรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ซับซ้อน ซึ่งอาจเป็นเรื่องยากและมีราคาแพง และมักจะไม่สามารถถ่ายภาพได้เร็วพอที่จะจับภาพการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นในวัสดุอิเล็กโทรดที่ชาร์จเร็วเป็นผลให้ไดนามิกของไอออนในระดับความยาวของอนุภาคแอคทีฟแต่ละตัวและที่อัตราการชาร์จอย่างรวดเร็วที่เกี่ยวข้องกับเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ยังไม่ได้สำรวจ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เอาชนะปัญหานี้ได้ด้วยการพัฒนาเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในห้องปฏิบัติการที่มีต้นทุนต่ำเพื่อศึกษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพวกเขาตรวจสอบอนุภาคแต่ละส่วนของ Nb14W3O44 ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุแอโนดที่ชาร์จได้เร็วที่สุดในปัจจุบันแสงที่มองเห็นได้ถูกส่งเข้าสู่แบตเตอรี่ผ่านหน้าต่างกระจกขนาดเล็ก ทำให้นักวิจัยสามารถชมกระบวนการไดนามิกภายในอนุภาคแอคทีฟได้แบบเรียลไทม์ภายใต้สภาวะที่ไม่สมดุลที่เหมือนจริงสิ่งนี้เผยให้เห็นการไล่ระดับความเข้มข้นของลิเธียมที่เหมือนด้านหน้าซึ่งเคลื่อนที่ผ่านอนุภาคแอคทีฟแต่ละตัว ส่งผลให้เกิดความเครียดภายในซึ่งทำให้อนุภาคบางตัวแตกหักการแตกหักของอนุภาคเป็นปัญหาสำหรับแบตเตอรี่ เนื่องจากอาจนำไปสู่การตัดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าของชิ้นส่วน ทำให้ความจุในการจัดเก็บของแบตเตอรี่ลดลงดร.คริสตอฟ ชเนเดอร์มานน์ ผู้เขียนร่วมจากห้องทดลองคาเวนดิชของเคมบริดจ์ กล่าวว่า "เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติดังกล่าวมีผลกระทบร้ายแรงต่อแบตเตอรี่ แต่ไม่สามารถสังเกตได้แบบเรียลไทม์ก่อนหน้านี้

ความสามารถในการรับส่งข้อมูลสูงของเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงช่วยให้นักวิจัยสามารถวิเคราะห์อนุภาคขนาดใหญ่ได้ เผยให้เห็นว่าการแตกของอนุภาคเป็นเรื่องปกติมากขึ้นด้วยอัตราการแตกตัวที่สูงกว่าและในอนุภาคที่ยาวกว่า"ผลการวิจัยเหล่านี้นำเสนอหลักการออกแบบที่ใช้ได้โดยตรงเพื่อลดการแตกหักของอนุภาคและความสามารถในการจางหายไปในวัสดุประเภทนี้" ผู้เขียนคนแรก Alice Merryweather ผู้สมัครระดับปริญญาเอกจาก Cavendish Laboratory and Chemistry Department ของเคมบริดจ์กล่าว

ในอนาคต ข้อดีหลักของวิธีการนี้ รวมถึงการดึงข้อมูลอย่างรวดเร็ว ความละเอียดของอนุภาคเดี่ยว และความสามารถในการรับส่งข้อมูลสูง จะช่วยให้สามารถสำรวจเพิ่มเติมว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ล้มเหลวและจะป้องกันได้อย่างไรเทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ในการศึกษาวัสดุแบตเตอรี่ได้เกือบทุกประเภท ทำให้เป็นปริศนาชิ้นสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่รุ่นต่อไป