Američtí vědci zkoumají Li-ion baterie pomocí 3D rentgenu. Cenná data využijí k prodloužení jejich životnosti

Technologie lithium-iontových baterií urazila za posledních několik desetiletí významný kus cesty, díky čemuž se lithium-iontové baterie staly jedním z nejběžnějších akumulátorů elektrické energie. Stejně jako jiné druhy baterií však s rostoucím počtem nabíjecích a vybíjecích cyklů postupně přichází o část své kapacity, což omezuje jejich životnost. Američtí vědci nyní přišli s novou metodou, která jim za pomocí 3D rentgenu umožňuje zkoumat pohyb částic uvnitř samotné baterie – získaná data by následně měla pomoci při dalším navyšování kapacity li-ion baterií a prodlužování jejich životnosti.

Při každém procesu nabíjení či vybíjení dochází v baterii k chemickým reakcím, kdy spolu reagují různé částice, ze kterých se skládají elektrody i elektrolyt. Při nabíjení li-ion baterií pronikají lithiové ionty do anody, která je obvykle tvořena z uhlíku, přičemž grafitová elektroda mírně expanduje. Při vybíjení baterie ionty naopak elektrodu opouští, a ta se následně smršťuje. Opakováním tohoto procesu dochází k degradaci elektrody, kdy baterie postupně přichází o svou kapacitou.

Američtí vědci z Illinoiské univerzity nyní přišli s novou metodou, která jim umožňuje s využitím 3D rentgenové tomografie sledovat, co se děje uvnitř baterie při jejím nabíjení a vybíjení. Od nasbíraných dat si vědci slibují, že jim umožní dále vylepšit technologii li-ion baterií, a to zejména prodloužit jejich životnost.

„Pokaždé, když se baterie nabíjí, lithiové ionty vstupují do grafitu, který se tak zvětšuje o zhruba 10 %, čímž jsou grafitové částice velmi namáhány. Jak tento proces expanze-kontrakce pokračuje s každým následným cyklem nabíjení a vybíjení, hostitelské částice elektrody se začínají fragmentovat a ztrácejí svou schopnost ukládat lithium a mohou se také oddělit od okolní matrice, což vede ke ztrátě vodivosti,“ objasňuje proces degradace elektrody John Lambros, pracovník katedry vesmírného inženýrství a vedoucí Laboratoře testování a vyhodnocování pokročilých materiálů na Illinoiské univerzitě.

Pokud by se vědcům podařilo objasnit, jak přesně dochází k vnitřní degradaci elektrody, mohli by tyto příčiny potlačit, a prodloužit tak životnost baterií. „Chtěli jsme vidět u pracující anody, jak grafitové částice expandují, když do nich proniká lithium. Samozřejmě byste mohli nechat tento proces proběhnout a poté změřit o kolik se elektroda zvětšila, ale s rentgenem se můžeme podívat přímo do elektrody a získávat interní lokální měření expanze,“ dodává John Lambros.

Aby však tým vědců dokázal sledovat pohyb jednotlivých částic elektrody, vědci museli první do elektrody přimíchat částice zirkonia. Zirkonium je v anodě inertní, a tedy nijak neovlivňuje chemické reakce probíhající při nabíjení a vybíjení baterie. Pro vědce je však přítomnost částic zirkonia v elektrodě nezbytná, jelikož jsou pro rentgen snadno viditelné a jejich pohyb umožňuje vědcům sledovat, jak moc se elektroda při nabíjení a vybíjení deformuje.

Získaná data vědci dále analyzují pomocí digitální objemové korelace, pomocí které porovnávají rentgenové snímky elektrody před a po nasycení ionty lithia.