Νέα μέθοδος δοκιμών αποκαλύπτει τις ιδανικές συνθήκες πολτού μπαταριών ιόντων λιθίου για ισχυρότερη απόδοση ηλεκτροδίων (Interesting Engineering)
Επιστήμονες στην Ιαπωνία ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο παρακολούθησης των πολτών μπαταριών ιόντων λιθίου κατά τη διάρκεια της παραγωγής, βοηθώντας στον εντοπισμό συνθηκών επικάλυψης που βελτιώνουν την απόδοση των μπαταριών πριν ακόμη συναρμολογηθούν τα στοιχεία.
Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης του Τόκιο χρησιμοποίησαν μια αναβαθμισμένη τεχνική φασματοσκοπίας ρεο-εμπέδησης για να μελετήσουν τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται αγώγιμα δίκτυα μέσα στους πολτούς μπαταριών υπό συνθήκες επικάλυψης παρόμοιες με τις βιομηχανικές.
Η μέθοδος συνδυάζει δοκιμές διάτμησης με φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης, επιτρέποντας στην ομάδα να παρατηρεί την ηλεκτρική συμπεριφορά ενώ ο πολτός βρίσκεται σε κίνηση.
Οι πολτοί μπαταριών είναι μείγματα ενεργών υλικών, αγώγιμων πρόσθετων, συνδετικών υλικών και διαλυτών, τα οποία αργότερα μετατρέπονται σε ηλεκτρόδια μπαταριών.
Η εσωτερική τους δομή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην αγωγιμότητα, τη σταθερότητα και την απόδοση φόρτισης. Ωστόσο, οι περισσότερες υπάρχουσες μέθοδοι αξιολόγησης εξετάζουν τους πολτούς σε στατικές συνθήκες και όχι κατά τη διάρκεια πραγματικών διαδικασιών παραγωγής.
Η ομάδα επικεντρώθηκε σε πολτούς καθόδου φωσφορικού σιδήρου λιθίου και εφάρμοσε δυνάμεις διάτμησης παρόμοιες με εκείνες που χρησιμοποιούνται στις βιομηχανικές γραμμές επικάλυψης.
Ταυτόχρονα, μέτρησε τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρικά σήματα μετακινούνταν μέσα στο υλικό, ώστε να παρακολουθήσει τις αλλαγές στο αγώγιμο δίκτυο.
Αγώγιμα δίκτυα υπό διάτμηση
Τα πειράματα έδειξαν ότι η ταχύτητα επικάλυψης είχε σημαντική επίδραση στην απόδοση της μπαταρίας.
Σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, τα αγώγιμα πρόσθετα παρέμεναν συσσωματωμένα, δημιουργώντας ασθενείς ηλεκτρικές διαδρομές. Σε πολύ υψηλούς ρυθμούς διάτμησης, το αγώγιμο δίκτυο διασπώνταν επίσης, μειώνοντας την απόδοση.
Ωστόσο, οι ερευνητές εντόπισαν ένα ενδιάμεσο εύρος γύρω στα 50 s⁻¹, όπου τα αγώγιμα πρόσθετα κατανεμήθηκαν ομοιόμορφα, διατηρώντας παράλληλα ισχυρές ηλεκτρικές συνδέσεις.
Τα ηλεκτρόδια που παρήχθησαν υπό αυτές τις συνθήκες παρουσίασαν χαμηλότερη αντίσταση, βελτιωμένη συμπεριφορά φόρτισης-εκφόρτισης και καλύτερη σταθερότητα κύκλων σε σύγκριση με ηλεκτρόδια που κατασκευάστηκαν σε χαμηλότερους ή υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης.
«Αναπαράγοντας συνθήκες διάτμησης κοντά σε εκείνες που χρησιμοποιούνται κατά την επικάλυψη των ηλεκτροδίων και αξιολογώντας τον πολτό επιτόπου, μπορούμε να συσχετίσουμε την κατάσταση του πολτού με το αγώγιμο δίκτυο που σχηματίζεται μετά την ξήρανση και με την απόδοση της μπαταρίας», δήλωσε ο Αναπληρωτής Καθηγητής Isao Shitanda.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα περιστροφικό ρεόμετρο για να προσομοιώσουν συνθήκες επικάλυψης με πάχος 500 μικρομέτρων. Ο πολτός περιείχε φωσφορικό σίδηρο λιθίου ως ενεργό υλικό, αιθάλη ακετυλενίου ως αγώγιμο πρόσθετο και πολυμερές συνδετικό υλικό διαλυμένο σε διαλύτη.
Στη συνέχεια, η ομάδα ξήρανε τους δοκιμασμένους πολτούς ώστε να δημιουργήσει ηλεκτρόδια και τα συναρμολόγησε σε στοιχεία μπαταριών για περαιτέρω ανάλυση της απόδοσης. Μελέτες μικροσκοπίας επιβεβαίωσαν ότι οι ενδιάμεσες συνθήκες διάτμησης δημιούργησαν την πιο ισορροπημένη αγώγιμη δομή.
Ταχύτερη παραγωγή μπαταριών
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η μέθοδος θα μπορούσε να μειώσει τα στάδια δοκιμής και σφάλματος στην παραγωγή μπαταριών, επιτρέποντας στους κατασκευαστές να αξιολογούν άμεσα τις συνθήκες επικάλυψης ήδη από το στάδιο του πολτού.
«Αυτή η μέθοδος μπορεί να εντοπίσει υποσχόμενες συνθήκες επικάλυψης χρησιμοποιώντας λιγότερο από ένα χιλιοστόλιτρο πολτού, με κάθε μέτρηση να ολοκληρώνεται σε περίπου πέντε λεπτά», δήλωσε ο Shitanda.
Η προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους κατασκευαστές μπαταριών να μειώσουν τη σπατάλη υλικών και να συντομεύσουν τους κύκλους ανάπτυξης, καθώς η ζήτηση για μπαταρίες ιόντων λιθίου συνεχίζει να αυξάνεται στα ηλεκτρικά οχήματα, τα ηλεκτρονικά και τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.
Αν και τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν χρησιμοποιώντας μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου, οι ερευνητές σημείωσαν ότι θα απαιτηθεί περαιτέρω επικύρωση σε άλλες χημικές συνθέσεις μπαταριών και σχεδιασμούς στοιχείων.
(Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Journal of Power Sources)
www.worldenergynews.gr
