Methode houdt bij wat er in batterijen gebeurt

De toekomst van mobiliteit zijn elektrische auto's, vrachtwagens en vliegtuigen. Maar er is geen manier waarop een enkel batterijontwerp die toekomst kan aandrijven. Zelfs batterijen voor mobiele telefoons en laptops hebben verschillende vereisten en verschillende ontwerpen. De batterijen die de komende decennia nodig zijn, zullen moeten worden afgestemd op hun specifieke gebruik. En dat betekent dat je precies moet begrijpen wat er gebeurt, zo precies mogelijk, in elk type batterij.

Elke batterij werkt volgens hetzelfde principe:ionen, atomen of moleculen met een elektrische lading, voeren een stroom van de anode naar de kathode door materiaal dat de elektrolyt wordt genoemd, en dan weer terug. Maar hun precieze beweging door dat materiaal, of het nu vloeibaar of vast is, heeft wetenschappers tientallen jaren in verwarring gebracht. Door precies te weten hoe verschillende soorten ionen door verschillende soorten elektrolyten bewegen, kunnen onderzoekers erachter komen hoe ze die beweging kunnen beïnvloeden om batterijen te maken die worden opgeladen en ontladen op een manier die het beste bij hun specifieke gebruik past.

Een team van wetenschappers heeft een combinatie van technieken gedemonstreerd die het mogelijk maken om de ionen die door een batterij bewegen nauwkeurig te meten. De combinatie van verschillende experimentele methoden meet snelheid en concentratie en vergelijkt ze vervolgens met de theorie. Die methoden omvatten het gebruik van ultraheldere röntgenstralen om de snelheid van de ionen die door de batterij bewegen te meten en om tegelijkertijd de concentratie van ionen in de elektrolyt te meten terwijl een modelbatterij ontladen is. Het onderzoeksteam vergeleek hun resultaten vervolgens met wiskundige modellen. Hun resultaat is een uiterst nauwkeurig getal dat de stroom weergeeft die door ionen wordt gedragen - wat het transportnummer wordt genoemd.

Het transportgetal is in wezen de hoeveelheid stroom die wordt gedragen door positief geladen ionen in verhouding tot de totale elektrische stroom; de berekeningen van het team zetten dat aantal op ongeveer 0,2. Deze conclusie verschilt van de conclusies die met andere methoden zijn afgeleid vanwege de gevoeligheid van deze nieuwe manier om ionenbeweging te meten.

Voor dit experiment gebruikte het onderzoeksteam een ​​vaste polymeerelektrolyt in plaats van de vloeibare die veel wordt gebruikt voor lithium-ionbatterijen. De polymeren zijn veiliger omdat ze de ontvlambaarheidsproblemen van sommige vloeibare elektrolyten vermijden.

In het verleden was de beste manier om de innerlijke werking van batterijen te onderzoeken, er een stroom doorheen te sturen en vervolgens te analyseren wat er daarna gebeurde. De mogelijkheid om de bewegende ionen in realtime te volgen, biedt wetenschappers de kans om die beweging aan te passen aan hun batterijontwerpbehoeften.

De volgende stap is het analyseren van complexere polymeren en andere materialen, zoals calcium en zink, en uiteindelijk in vloeibare elektrolyten.