Was treibt den Verfall von Akkus an? Kommt drauf an wie oft du es aufgeladen hast

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien halten nicht ewig – nach genügend Lade- und Wiederaufladezyklen gehen sie irgendwann kaputt, daher suchen Forscher ständig nach Wegen, um ein wenig mehr Lebensdauer aus ihren Batteriedesigns herauszuholen.

Jetzt haben Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und Kollegen von der Purdue University, Virginia Tech, und der European Synchrotron Radiation Facility entdeckt, dass sich die Faktoren hinter dem Batterieverfall im Laufe der Zeit tatsächlich ändern. Am Anfang scheint der Zerfall von den Eigenschaften einzelner Elektrodenpartikel angetrieben zu werden, aber nach mehreren Dutzend Ladezyklen ist es wichtiger, wie diese Partikel zusammengesetzt sind.

„Die grundlegenden Bausteine ​​sind diese Partikel, aus denen die Batterieelektrode besteht, aber wenn Sie herauszoomen, interagieren diese Partikel miteinander“, sagte SLAC-Wissenschaftler Yijin Liu, Forscher an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource des Labors und leitender Autor der neues Papier. Daher „muss man sich anschauen, wie man die Partikel zusammenfügt, wenn man eine bessere Batterie bauen will.“

Den Wald vor lauter Bäumen sehen

Die neue Studie, veröffentlicht am 29 Wissenschaft, baut auf früheren Forschungen auf, in denen Liu und Kollegen Computervisionstechniken verwendeten, um zu untersuchen, wie die einzelnen Partikel, aus denen eine wiederaufladbare Batterieelektrode besteht, im Laufe der Zeit auseinanderbrechen. Das Ziel dieses Mal war es, nicht nur einzelne Partikel zu untersuchen, sondern die Art und Weise, wie sie zusammenarbeiten, um die Batterielebensdauer zu verlängern oder zu verkürzen.

Keije Zhao, ein Professor für Maschinenbau in Purdue, der zusammen mit Liu und dem Chemieprofessor Feng Lin von der Virginia Tech leitender Autor war, verglich das Problem mit Menschen, die in Gruppen arbeiten. „Batteriepartikel sind wie Menschen – wir gehen alle unseren eigenen Weg“, sagte Zhao, „aber schließlich treffen wir auf andere Menschen und landen am Ende in Gruppen, die in die gleiche Richtung gehen. Um die Spitzeneffizienz zu verstehen, müssen wir beide untersuchen das individuelle Verhalten von Partikeln und wie sich diese Partikel in Gruppen verhalten.“

Um diese Idee zu erforschen, taten sich die Co-Erstautoren Jizhou Li, ein SSRL-Postdoktorand, und Nikhil Sharma, ein Purdue-Doktorand, mit Liu, Lin und Zhao und anderen Kollegen zusammen, um Batteriekathoden mit Röntgenstrahlen zu untersuchen. Mittels Röntgentomographie rekonstruierten sie dreidimensionale Bilder der Kathoden, nachdem diese entweder 10 oder 50 Ladezyklen durchlaufen hatten. Sie zerlegten diese 3-D-Bilder in eine Reihe von 2-D-Scheiben und verwendeten Computer-Vision-Methoden, um Partikel zu identifizieren.

Das Leben einer Batterie

Am Ende identifizierten sie mehr als 2.000 einzelne Partikel, für die sie nicht nur einzelne Partikelmerkmale wie Größe, Form und Oberflächenrauheit berechneten, sondern auch globalere Merkmale, etwa wie oft und wie unterschiedlich Partikel in direkten Kontakt kamen Die Formen der Partikel waren.

Als nächstes untersuchten sie, wie jede dieser Eigenschaften zum Abbau der Partikel beitrug, und es entstand ein auffälliges Muster. Nach 10 Ladezyklen waren die größten Faktoren die Eigenschaften der einzelnen Partikel, darunter die Kugelform der Partikel und das Verhältnis von Partikelvolumen zu Oberfläche. Nach 50 Zyklen führten jedoch Paar- und Gruppenattribute – wie z. B. wie weit zwei Partikel voneinander entfernt waren, wie unterschiedlich ihre Formen waren und ob länger gestreckte, fußballförmige Partikel ähnlich ausgerichtet waren – zum Partikelabbau.

„Es ist nicht mehr nur das Teilchen selbst. Es sind Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen“, die von Bedeutung sind, sagte Liu. Das ist wichtig, sagte er, weil es bedeutet, dass Hersteller Techniken entwickeln könnten, um solche Eigenschaften zu kontrollieren. Beispielsweise könnten sie magnetische oder elektrische Felder verwenden, um längliche Partikel aneinander auszurichten, was den neuen Ergebnissen zufolge zu einer längeren Batterielebensdauer führen würde.

Und, so Feng Lin, Co-Senior-Autor und Chemiker der Virginia Tech, könnten die Ergebnisse über die Einzelheiten der vorliegenden Forschung hinaus angewendet werden. „Diese Studie gibt wirklich Aufschluss darüber, wie wir Batterieelektroden entwerfen und herstellen können, um eine lange Lebensdauer für Batterien zu erreichen“, sagte Lin. „Wir freuen uns darauf, das Verständnis für kostengünstige, schnell aufladbare Batterien der nächsten Generation umzusetzen.“