Quantum-sensorbenadering legt nanoschaal elektrochemische evolutie in batterij vast

Batterijprestaties worden sterk beïnvloed door de niet-uniformiteit en het falen van individuele elektrodedeeltjes. Het begrijpen van de reactiemechanismen en faalmodi op nanoschaalniveau is essentieel voor het verbeteren van batterijtechnologieën en het verlengen van hun levensduur. Het vastleggen van realtime elektrochemische evolutie op deze schaal blijft echter een uitdaging vanwege de beperkingen van bestaande detectiemethoden, die de benodigde ruimtelijke resolutie en gevoeligheid missen.

Onderzoekers van het team van Suo Liumin en het team van Liu Gangqin van het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben nu een quantumsensorische aanpak ontwikkeld op basis van stikstofvacaturecentra (NV) in diamanten.

De studie, getiteld “Operando-kwantumdetectie legt de nanoschaal elektrochemische evolutie in batterijen vast“werd gepubliceerd in Apparaat op 10 september.

NV-sensoren bieden een ruimtelijke resolutie van 1 nm tot 1 μm en zijn gevoelig voor variaties in temperatuur, spanning en magnetische velden. Hierdoor bieden ze een groot potentieel voor realtime, niet-destructieve bewaking van batterij-elektrodedeeltjes.

Met behulp van een geïntegreerd apparaat dat een kwantumsensorsysteem combineert met een batterij, hebben onderzoekers in-situ monitoring van nanoschaal actieve materiaaldeeltjes bereikt, aangetoond door Fe₃O₄ elektroden.

Hun bevindingen onthulden niet-uniforme fasetransformaties van Fe₃O₄ tot FeO en vervolgens tot Fe tijdens de ontlading, met aanzienlijke microscopische kinetische verschillen tussen de regio’s.

Uit het onderzoek bleek ook dat Fe-deeltjes superparamagnetisch gedrag vertonen.

Het significante verschil in magnetische veld- en temperatuurverdeling binnen de elektrode wordt ook onthuld door multithreaded sensing in deze studie.

Deze resultaten tonen het potentieel aan van diamant-NV-centra voor het karakteriseren van een groot oppervlak en een hoge resolutie van nanoschaalgebieden binnen een elektrode. Dit biedt nieuwe inzichten in materiaalgedrag en faalmechanismen.