Self-healing lithium-ion batteries enabled by fiber/nano optic sensing and convergent data-driven analytics

Litium-ion-batterier er svært viktige og har gitt dypt inngripende samfunnsendringer hittil i det 21. århundre. Med samtidens behov for en bærekraftig utvikling er det faktum at litium-ion-batterier ikke kan repareres eller vedlikeholdes gjennom levetiden en voksende utfordring: Er det hensiktsmessig for samfunnet å investere så mye i denne teknologien når enhetene har såpass begrenset levetid? En måte å takle dette dilemmaet er å utforske selvhelende batterier. I likhet med menneskekroppens immunsystem som bidrar til å opprettholde helsen, kan litium-ion-batterier også gjøres mer robuste. Dette innebærer at litt ekstern stimulering eller "medisin" kan bidra til å fjerne skadelige molekyler eller avverge uønskede reaksjoner inne i batteriet. Imidlertid, for å avdekke de underliggende årsakene til hvorfor og hvordan batteriet forringes, kreves det nye metoder for overvåking og måling. I dette prosjektet vil vi koble konseptet om reparerbare batterier med fiberoptisk sensorteknologi. Ved å kombinere robuste elektrokjemiske metoder, nye teknikker for røntgentomografi (CT) og de mest lovende kjemomekaniske materialene som er identifisert av forskere internasjonalt, ønsker vi å oppnå en forståelse av hvorfor og hvordan litiumbatterier brytes ned. På bakgrunn av denne forståelsen kan vi deretter målrette spesifikke tiltak for å redusere nedbrytingen og forbedre den generelle tilstanden til batteriene.

Lithium-ion batteries have become a ubiquitous part of modern society, enabling a new era of electric vehicles and energy storage systems, in addition to an ever-increasing range of consumer electronics products. In contrast to solid state electronics, batteries have a finite lifetime and cannot last forever. Even more concerning is that with their high energy density, accidents and safety incidents can present serious hazards. Being able to quantitatively monitor the state of health of batteries nondestructively and during usage is essential to both further improvement and better understanding of their limitations and performance. X-ray computed tomography is well-suited for in-situ/operando studies of battery related processes and assemblies, however, it is expensive, and unsuitable for battery health monitoring on a commercial scale. Optical fibers, notably fiber Bragg gratings, constitute a complementary low-cost and light-weight technology, enabling temperature, chemical environment, and mechanical strain to be measured in small form factor batteries. With their inert chemical nature, they can even be placed inside battery cells during operation, despite the harsh electrochemical environment. For the HeaLiSelf project, our working hypothesis is that data collected from fiber Bragg grating sensors will serve as a highly efficient proxy for X-ray computed tomography observations. Novel binder and additive chemistries are promising approaches to introduce self-healing into batteries, but tan effective system combining physical observations and effective sensors will bring self-healing batteries one step closer towards the real-world, and this is the vision for the HeaLiSelf project. The strategy of HealLiSelf relies on the convergence of fiber optic sensing, nanoscale material characterization, and advanced data analytics.