Alat sederhana mengungkapkan kebenaran kesetiaan tinggi dalam baterai lithium-ion
Spotlight

Alat sederhana mengungkapkan kebenaran kesetiaan tinggi dalam baterai lithium-ion


Mahasiswa PhD Shubham Agrawal memegang sel koin di tempat, dengan jendela kaca yang digunakan untuk observasi optik di tengahnya. Kredit: Rajeev Gopal

Percepatan gravitasi di Bumi adalah sekitar 9,8 m / s2, tetapi jika Anda mencoba membuat roket yang akan lepas dari tarikan Bumi, Anda harus melakukan yang lebih baik dari itu. Anda perlu memperhitungkan hambatan angin, panas, dan faktor lainnya. Di dunia nyata, kekuatan saling memengaruhi dan terkadang Anda tidak dapat memahami caranya sampai Anda melihat roket bergerak.

Penelitian baru dari lab Peng Bai, asisten profesor di Departemen Energi, Lingkungan & Teknik Kimia di Sekolah Teknik McKelvey di Universitas Washington di St. Louis, menggemakan konsep ini.

Dengan melihat muatan bergerak melalui partikel elektroda baterai lithium-ion demi partikel, dan menghitung kepadatan arus sebenarnya di tempat tertentu melalui analisis gambar, Bai telah dapat menentukan apa yang perlu dilakukan untuk membangun baterai yang lebih aman, dan ia telah tidak ada hubungannya dengan kemampuan partikel individu.

Sebaliknya, partikel perlu berbagi beban.

“Kita perlu mempromosikan lebih banyak partikel untuk berpartisipasi” dalam reaksi di seluruh elektroda, kata Bai. “Kemudian kami dapat menurunkan kepadatan arus lokal aktual dan menghindari menghasilkan titik panas yang berbahaya.”

Penelitian ini dipublikasikan secara online 12 Februari 2021 di jurnal Bahan Energi Lanjut.

Bai dan Shubham Agrawal, seorang mahasiswa doktoral di lab Bai, menggunakan grafit sebagai sistem model untuk menyelidiki pergerakan muatan dalam elektroda baterai lithium-ion. Grafit adalah bahan anoda standar untuk baterai lithium-ion komersial. Selama pengisian ulang baterai, ion litium dapat berdifusi ke dalam kekosongan dalam struktur kristal grafit dan menyebabkan apa yang disebut transformasi fase solid-state. Akibatnya, fase baru grafit terinduksi, yaitu grafit litiat, berubah warna dari abu-abu tua, menjadi biru, menjadi merah dan akhirnya menjadi emas, karena semakin banyak ion litium yang diakomodasi.

Sifat optik khusus ini memungkinkan Bai dan Agrawal untuk secara langsung menentukan distribusi ion litium di elektroda. Dengan menggunakan analisis gambar lebih lanjut, mereka dapat menentukan pergerakan muatan. “Ketika kami mulai mengisi elektroda, kami melihat hanya beberapa daerah yang berubah warna,” kata Agrawal, “tetapi daerah yang sangat besar masih berwarna abu-abu.”

Setelah menganalisis ribuan gambar elektroda selama proses pengisian ulang, mereka dapat menentukan kepadatan arus sebenarnya (ukuran akumulasi muatan per satuan waktu di area tertentu) di area yang telah berubah warna. Kepadatan arus di area abu-abu adalah nol.

“Fenomena serupa telah dilaporkan sebelumnya,” kata Bai, “tetapi hanya jika dinamikanya dapat dijelaskan oleh model matematika, kami dapat mengklaimnya sebagai kebenaran dengan ketelitian tinggi.” Dalam karya ini, Bai mengembangkan model matematika baru yang secara tepat dapat mengkorelasikan pergerakan muatan yang diamati dengan kepadatan arus yang diukur. “Kepadatan arus lokal setidaknya dua kali lipat lebih tinggi dari kerapatan arus semu,” kata Bai, mengacu pada tempat-tempat dengan kepadatan arus yang lebih tinggi sebagai “titik panas.”

Kepadatan arus semu adalah rata-rata arus total di seluruh area elektroda, termasuk area abu-abu tidak aktif, yang merupakan kuantitas yang saat ini digunakan dalam desain baterai. “Tapi sekarang menjadi jelas bahwa kepadatan arus lokal yang benar-benar penting,” kata Bai. Titik panas lokal memengaruhi fungsi baterai yang melakukan apa saja mulai dari penurunan efisiensinya hingga menyebabkan kerusakan baterai, menjadikannya berpotensi berbahaya.

“Metode berbasis sinar-X Synchrotron biasanya digunakan untuk jenis karakterisasi ini,” kata Agrawal, “tetapi kami menunjukkan di sini bahwa mikroskop optik benchtop yang ekonomis dapat memberikan informasi yang sangat berguna dan saling melengkapi.” Metode ini telah membantu Agrawal mendapatkan puluhan ribu gambar untuk setiap sel koinnya. Hasilnya memastikan validasi komprehensif dari model matematika dan wawasan fisik yang dapat dihasilkannya.

Baterai percobaan biasanya dirancang khusus dan struktur serta kondisi kerjanya bisa sangat berbeda dari baterai komersial. “Inilah sebabnya mengapa kita harus menggunakan model matematika untuk memperhitungkan semua perbedaan dan menerjemahkan pemahaman ke dalam pedoman aplikasi praktis yang sesuai,” kata Bai.

“Ketika Anda benar-benar memeriksa kepadatan arus lokal, Anda menyadari bahwa itu dikendalikan oleh transformasi fase, pada dua tingkat,” kata Bai. Ini menentukan berapa banyak partikel yang berpartisipasi dalam reaksi dan seberapa cepat satu warna akan menyapu suatu partikel. Bagian penting, tambah Bai, adalah sekarang mereka memahami apa yang sebenarnya terjadi di dalam baterai dan proses apa yang mendorongnya. “Anda tidak dapat menggunakan teori elektrokimia klasik yang sangat mapan untuk elektroda datar yang ideal untuk memahami masalah teknik elektrokimia dalam elektroda berpori tebal.”


Bagaimana korsleting pada baterai logam litium dapat dicegah


Informasi lebih lanjut:
Shubham Agrawal dkk. Operando Electrochemical Kinetics dalam Particulate Porous Electrodes by Quantifying the Mesoscale Spatiotemporal Heterogeneities, Bahan Energi Lanjut (2021). DOI: 10.1002 / aenm.202003344

Disediakan oleh Universitas Washington di St. Louis

Kutipan: Alat sederhana mengungkapkan kebenaran kesetiaan tinggi dalam baterai lithium-ion (2021, 5 Maret) diambil 5 Maret 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-03-simple-tools-reveal-high-fidelity-truth. html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten tersebut disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SGP Hari Ini