Ученые изучают рентгеновские снимки аккумуляторов электромобилей по мере их износа

Бонд использует оборудование BMIT в Канадском источнике света в Университете Саскачевана для получения подробных компьютерных томографов внутренней части батарей. Работая с доктором Джеффом Даном в Университете Далхаузи, он специализируется на батареях для электромобилей, где императив исследования состоит в том, чтобы упаковать как можно больше энергии в легкое устройство.

«Большой недостаток упаковки большего количества энергии заключается в том, что, как правило, чем больше энергии вы накапливаете, тем быстрее разряжается батарея», — говорит Бонд.

В литий-ионных батареях это связано с тем, что зарядка физически сталкивает ионы лития между другими атомами в материале электрода, раздвигая их. Добавление большего заряда вызывает больший рост материалов, которые снова сжимаются, когда ионы лития уходят. В течение многих циклов этого роста и сжатия в материале начинают образовываться микротрещины, постепенно снижая его способность удерживать заряд.

«Это может в конечном итоге привести к тому, что материалы в батарее разрушатся изнутри наружу. Если ситуация станет достаточно серьезной, это может привести к тому, что части батареи начнут отслаиваться внутри», — говорит Бонд. «И если это вызовет крупномасштабный ущерб внутри батареи, это также может стать проблемой безопасности».

Изучение этой проблемы и того, насколько эффективны покрытия и другие методы исправления, уже давно имеет важное значение в этой области. Традиционно трещины, образующиеся в батарее, изучают, разбирая батарею и рассматривая отдельные частицы под электронным микроскопом. Это разрушает батарею, поэтому исследователи не могут сохранить более крупную структуру и посмотреть, какие другие последствия это растрескивание может иметь для остальной части батареи.

По словам Бонда, используя рентгеновские изображения в CLS, исследователи могут изучать эти эффекты в контексте и видеть, как растрескивание вызывает изменения в остальной части батареи. В ходе этого исследования исследователи обнаружили, что по мере того, как микротрещины в батарее усиливались, жидкости в ячейке всасывались в дополнительное пространство между трещинами, из-за чего жидкости могло не хватить.

«Это первый случай, когда кому-либо удалось зафиксировать все эти эффекты одновременно в работающей батарее», — говорит Бонд. «Это истощение жидкого электролита может вызвать серьезные проблемы, поскольку любая часть батареи, которая не получает достаточного количества жидкости, по сути, перестанет работать».

В этом исследовании Бонд и его коллеги изучили батареи, которые непрерывно заряжались и разряжались до разного уровня в течение многих лет, а также идентичные в остальном батареи, которые вообще не использовались. Трехмерные рентгеновские снимки, которые они получили с помощью яркого сфокусированного света BMIT, позволили им точно увидеть, как различные материалы были затронуты использованием, как в микроскопическом масштабе, так и во всей батарее.

Практический вывод. Команда обнаружила, что небольшая разрядка батареи вызвала меньший износ, чем полная разрядка батареи. Вероятно, это связано с тем, что меньшее изменение заряда вызывает меньшую физическую нагрузку на материалы электродов батареи с течением времени. Этот эффект важно понимать для новых приложений, таких как дальнемагистральный транспорт, электрические самолеты и использование припаркованных электромобилей для хранения и доставки энергии в электрическую сеть. Эти сценарии часто требуют использования большего количества полной емкости аккумулятора перед перезарядкой, пишет phys.org.

«Поскольку мы начинаем заменять все больше и больше автомобилей с двигателями внутреннего сгорания электромобилями, очень важно понимать, как батареи будут вести себя в различных условиях», — говорит Бонд. «Работать над этими проблемами очень увлекательно, и нам действительно нужны такие инструменты, как синхротроны, чтобы понять мельчайшие детали того, что происходит внутри батареи, когда мы опробуем новые подходы».