Il ricercatore canadese della sorgente di luce (CLS) Toby Bond utilizza i raggi X per aiutare a progettare potenti batterie per veicoli elettrici con una durata maggiore. La sua ricerca, pubblicata nel Journal of the Electrochemical Society , mostra come i cicli di carica/scarica delle batterie causino danni fisici con conseguente riduzione dell'accumulo di energia. Questo nuovo lavoro indica un legame tra le crepe che si formano nel materiale della batteria e l'esaurimento dei liquidi vitali che trasportano la carica.

Bond utilizza la struttura BMIT presso la Canadian Light Source presso l'Università del Saskatchewan per produrre scansioni TC dettagliate dell'interno delle batterie. Lavorando con il Dr. Jeff Dahn presso la Dalhousie University, è specializzato in batterie per veicoli elettrici, dove l'imperativo della ricerca è racchiudere quanta più energia possibile in un dispositivo leggero.

"Un grosso svantaggio di accumulare più energia è che generalmente, più energia si accumula, più velocemente si degraderà la batteria", afferma Bond.

Nelle batterie agli ioni di litio, ciò è dovuto al fatto che la carica forza fisicamente gli ioni di litio tra altri atomi nel materiale dell'elettrodo, allontanandoli. L'aggiunta di più carica provoca una maggiore crescita dei materiali, che si restringono quando gli ioni di litio se ne vanno. Nel corso di molti cicli di questa crescita e contrazione, iniziano a formarsi microfessure nel materiale, riducendo lentamente la sua capacità di trattenere una carica.

"Può alla fine far sgretolare i materiali della batteria dall'interno verso l'esterno. Se diventa abbastanza cattivo, può causare il distacco di parti della batteria all'interno di se stessa", afferma Bond. "E se provoca danni su larga scala all'interno della batteria, anche questo può diventare un problema di sicurezza."

Lo studio di questo problema e dell'efficacia dei rivestimenti e di altri trattamenti per fermarlo è stato importante nel campo per molto tempo. Tradizionalmente, le crepe che si formano in una batteria sono state studiate smontando la batteria e osservando le singole particelle al microscopio elettronico. Questo distrugge la batteria, quindi non consente ai ricercatori di preservare la struttura più grande e vedere quali altri effetti potrebbero avere questa rottura sul resto della batteria.

Utilizzando l'imaging a raggi X al CLS, Bond afferma che i ricercatori possono studiare questi effetti nel contesto e vedere come il cracking provoca cambiamenti nel resto della batteria. In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che con il peggioramento delle microfessure nella batteria, i liquidi nella cella venivano risucchiati nello spazio extra tra le fessure, che potrebbe non lasciare abbastanza liquido per muoversi.

"Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di catturare tutti questi effetti che accadono insieme in una batteria funzionante", afferma Bond. "Questo esaurimento dell'elettrolito liquido può causare seri problemi, poiché qualsiasi parte della batteria che non riceve abbastanza liquido smetterebbe essenzialmente di funzionare."

In questo studio, Bond e colleghi hanno studiato batterie che erano state continuamente caricate e scaricate a livelli diversi nel corso degli anni, insieme a batterie altrimenti identiche che non erano state affatto utilizzate. Le scansioni a raggi X 3D che hanno raccolto utilizzando la luce brillante e focalizzata di BMIT hanno permesso loro di vedere con precisione in che modo i diversi materiali sono stati influenzati dall'uso, sia su scala microscopica che nell'intera batteria.

Un pratico asporto? Il team ha scoperto che scaricare una piccola quantità della batteria causava un deterioramento minore rispetto allo scaricamento completo della batteria. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che una variazione minore di carica provoca nel tempo una minore sollecitazione fisica sui materiali degli elettrodi della batteria. Questo effetto è importante da comprendere per nuove applicazioni come il trasporto a lungo raggio, gli aerei elettrici e l'utilizzo di veicoli elettrici parcheggiati per immagazzinare e fornire energia alla rete elettrica. Questi scenari spesso richiedono l'utilizzo di una quantità maggiore della piena capacità della batteria prima di essere ricaricata.

"Mentre iniziamo a sostituire sempre più veicoli a combustione con veicoli elettrici, è davvero importante capire come si comporteranno le batterie in condizioni diverse", afferma Bond. "È molto eccitante lavorare su questi problemi e abbiamo davvero bisogno di strumenti come i sincrotroni per capire i minimi dettagli di ciò che sta accadendo all'interno della batteria quando proviamo nuovi approcci". + Esplora ulteriormente

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