Nieuwe methode volgt batterij-interna precies op voor toekomstige energietoplossingen

De toekomst van mobiliteit is elektrische auto's, vrachtwagens en vliegtuigen. Maar er is geen enkele batterijontwerp die die toekomst kan aandrijven. Zelfs smartphone- en laptopbatterijen hebben verschillende eisen en ontwerpen. De batterijen die de komende decennia nodig zijn, moeten op maat gemaakt worden voor hun specifieke toepassingen. En dat betekent precies begrijpen wat er, zo nauwkeurig mogelijk, in elk type batterij gebeurt.

Elke batterij werkt op hetzelfde principe: ionen, atomen of moleculen met een elektrische lading, dragen een stroom van de anode naar de kathode door materiaal genaamd het elektrolyt, en weer terug. Maar hun precieze beweging door dat materiaal, of vloeistof of vast, heeft wetenschappers decennia lang in de war gebracht. Exact weten hoe verschillende typen ionen door verschillende typen elektrolyten bewegen, zal onderzoekers helpen om die beweging te beïnvloeden om batterijen te maken die op- en ontladen op manieren die het meest passen bij hun specifieke toepassingen.

Een team wetenschappers heeft een combinatie van technieken gedemonstreerd die de precieze meting van ionen die door een batterij bewegen, toelaat. De combinatie van verschillende experimentele methoden meet snelheid en concentratie en vergelijkt beide met theorie. Die methoden omvatten het gebruik van ultra-helle Röntgenstraling om de snelheid van de ionen die door de batterij bewegen te meten en tegelijkertijd de concentratie van ionen in het elektrolyt te meten terwijl een modelbatterij ontladde. Het onderzoeksteam vergelijkte hun resultaten met wiskundige modellen. Hun resultaat is een extreem nauwkeurig getal dat de door ionen gedragen stroom vertegenwoordigt — wat de transportgetal wordt genoemd.

Het transportgetal is essentieel het bedrag aan stroom gedragen door positief geladen ionen in relatie tot de totale elektrische stroom; de berekeningen van het team plaatsen dat getal op ongeveer 0,2. Deze conclusie verschilt van die afgeleid door andere methoden door de gevoeligheid van deze nieuwe manier van meten van ionenbeweging.

Voor dit experiment gebruikte het onderzoeksteam een vast polymere elektrolyt in plaats van de vloeibare die wijd gebruikt worden voor lithium-ionbatterijen. De polymeren zijn veiliger omdat ze de brandbaarheidsproblemen van sommige vloeibare elektrolyten vermijden.

In het verleden was de beste manier om de binnenwerkingen van batterijen te onderzoeken een stroom door ze te sturen en daarna te analyseren wat er gebeurde. De mogelijkheid om de ionen in realtime te traceren biedt wetenschappers de kans om dat te veranderen en de beweging aan te passen aan hun batterijontwerpbehoeftes.

De volgende stap is om complexere polymeren en andere materialen te analyseren, zoals calcium en zink, en uiteindelijk vloeibare elektrolyten.