Χαρτογράφηση των χημικών αντιδράσεων επιπέδου νανοκλίμακας μέσα σε μπαταρίες με 3D.
Οι ερευνητές από το πανεπιστήμιο του Illinois στο Chicago και του Lawrence Berkeley National Laboratory έχουν αναπτύξει μια νέα τεχνική που τους επιτρέπει να εντοπίσουν τη θέση των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν μέσα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου σε τρισδιάστατη μορφή σε επίπεδο νανοκλίμακας. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications.
Ο Jordi Cabana, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο UIC και συν-συγγραφέας της μελέτης δήλωσε: «Η γνώση των ακριβών θέσεων των χημικών αντιδράσεων στα επιμέρους νανοσωματίδια που συμμετέχουν σε αυτές τις αντιδράσεις μας βοηθά να εντοπίσουμε τον τρόπο λειτουργίας μιας μπαταρίας και να ανακαλύψουμε πώς θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί ώστε να λειτουργήσει ακόμα καλύτερα»,
Καθώς οι μπαταρίες φορτίζονται και εκφορτίζονται, τα ηλεκτρόδια και τα υλικά όπου λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις που παράγουν ενέργεια – οξειδώνονται και έχει ως αποτέλεσμα να πέσει η αποδοτικότητα. Οι χημικές οδοί με τις οποίες πραγματοποιούνται αυτές οι αντιδράσεις συμβάλλουν στον προσδιορισμό του βαθμού εξάντλησης της μπαταρίας.
Τα εργαλεία που είναι διαθέσιμα για να μελετηθούν αυτές τις αντιδράσεις μπορούν να παρέχουν ελάχιστες πληροφορίες σχετικά με τη μέση σύνθεση των ηλεκτροδίων σε οποιοδήποτε δεδομένο χρονικό σημείο. Για παράδειγμα, μπορούν να επιτρέψουν σε έναν ερευνητή να μάθει ποιο ποσοστό του ηλεκτροδίου έχει οξειδωθεί μόνιμα . Αλλά αυτά τα εργαλεία δεν μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη θέση των οξειδωμένων τμημάτων στο ηλεκτρόδιο. Λόγω αυτών των περιορισμών, δεν είναι δυνατόν να διαπιστωθεί αν οι αντιδράσεις περιορίζονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του ηλεκτροδίου, όπως η επιφάνεια του υλικού, ή αν οι αντιδράσεις γίνονται ομοιόμορφα σε ολόκληρο το ηλεκτρόδιο.
Ο Jordi Cabana πρόσθεσε ότι: «Το να είσαι σε θέση να δεις αν υπάρχει μια αντίδραση που λαμβάνει χώρα σε ένα συγκεκριμένο μέρος του ηλεκτροδίου ή ακόμα καλύτερα, να δεις την θέση των αντιδράσεων μέσα σε μεμονωμένα νανοσωματίδια στο ηλεκτρόδιο θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμη, γιατί τότε θα μπορούσες να καταλάβεις πώς αυτές οι εντοπισμένες αντιδράσεις συσχετίζονται με τη συμπεριφορά της μπαταρίας, όπως ο χρόνος φόρτισης ή ο αριθμός των κύκλων επαναφόρτισης που μπορεί να υποβληθεί μία μπαταρία με αποτελεσματικότητα».
Η νέα τεχνική, που ονομάζεται X-ray ptychographic tomography, προήλθε από μια συνεργασία μεταξύ των χημικών από το UIC και των επιστημόνων της Advanced Light Source, στο Εθνικό Εργαστήριο του Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια. Οι επιστήμονες ανέπτυξαν αλγόριθμους για τις μετρήσεις, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για να απαντηθούν κάποιες θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με τα υλικά και τη συμπεριφορά των μπαταριών που προσδιορίστηκαν από την ομάδα του UIC.
