Batterier som de skal ses

Forskere har udviklet en måde at mikroskopisk se batterielektroder, mens de er badet i våde elektrolytter, efterligner realistiske forhold inde i faktiske batterier. Mens biovidenskabelige forskere regelmæssigt bruger transmissionselektronmikroskopi til at studere våde miljøer, denne gang har forskere med succes anvendt det på genopladeligt batteri.

Resultaterne, rapporteret i 11. december's udgave af Nano bogstaver , er gode nyheder for forskere, der studerer batterimaterialer under tørre forhold. Arbejdet viste, at mange aspekter kan studeres under tørre forhold, som er meget lettere at bruge. Imidlertid, våde forhold er nødvendige for at studere det svært at finde faste elektrolytinterfaselag, en belægning, der ophobes på elektrodeoverfladen og dramatisk påvirker batteriets ydeevne.

"Den flydende celle gav os globale oplysninger om, hvordan elektroderne opfører sig i et batterimiljø, "sagde materialeforsker Chongmin Wang fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory." Og det vil hjælpe os med at finde det solide elektrolytlag. Det har været svært at visualisere tilstrækkeligt detaljeret direkte. "

Ebbe, Flyde, Svulme

Selvom elektricitet virker usynlig, opbevaring og brug af det i batterier har nogle meget fysiske virkninger. Opladning af et batteri sætter elektroner i den negative elektrode, hvor positivt ladede lithiumioner (eller en anden metalion som natrium) skynder sig ind for at mødes og holde på elektronerne. Disse ioner skal passe ind i porerne i elektroden.

Ved at drive en enhed med et batteri får elektronerne til at strømme ud af elektroden. De positive ioner, efterladt, strømme gennem batteriets krop og vende tilbage til den positive elektrode, hvor de venter på endnu en opladning.

Wang og kolleger har brugt kraftige mikroskoper til at se, hvordan ebning og strømning af positivt ladede ioner deformerer elektroder. Klemning i elektrodeens porer får elektroderne til at svulme op, og gentagen brug kan bære dem ned. For eksempel, nyligt arbejde finansieret gennem Joint Center for Energy Storage Research - et DOE Energy Innovation Hub oprettet for at fremskynde batteriudviklingen - viste, at natriumioner efterlader bobler, muligvis forstyrrer batterifunktionen.

Men op til dette punkt, transmissionselektronmikroskoper har kun været i stand til at rumme tørre battericeller, som forskere omtaler som åbne celler. I et rigtigt batteri, elektroder bades i flydende elektrolytter, der giver et miljø, ioner let kan bevæge sig igennem.

Så, arbejder med JCESR -kolleger, Wang ledede udviklingen af ​​en våd battericelle i et transmissionselektronmikroskop ved EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL -campus. Holdet byggede et batteri så lille, at flere kunne passe på en skilling. Batteriet havde en siliciumelektrode og en lithiummetallelektrode, begge indeholdt i et bad af elektrolyt.

Mysterielag

Da teamet oplade batteriet, de så siliciumelektroden svulme op, som forventet. Imidlertid, under tørre forhold, elektroden er fastgjort i den ene ende til lithiumkilden - og hævelse starter i kun den ene ende, når ionerne skubber sig ind, skabe en forkant. I denne undersøgelses flydende celle, lithium kunne komme ind i silicium overalt langs elektrodeens længde. Holdet så på, hvordan elektroden svulmede hele sin længde på samme tid.

"Elektroden blev federe og federe ensartet. Sådan ville det ske inde i et batteri, "sagde Wang.

Den samlede mængde, som elektroden svulmede op, var omtrent den samme, selvom, om forskerne oprettede en tør eller våd battericelle. Det tyder på, at forskere kan bruge begge betingelser til at studere visse aspekter af batterimaterialer.

"Vi har studeret batterimaterialer med det tørre, åben celle i de sidste fem år, "sagde Wang." Vi er glade for at opdage, at den åbne celle giver præcise oplysninger om, hvordan elektroder opfører sig kemisk. Det er meget lettere at gøre, så vi vil fortsætte med at bruge dem. "

Hvad angår det undvigende faste elektrolytinterfaselag, Wang sagde, at de ikke kunne se det i dette første forsøg. I fremtidige forsøg, de vil forsøge at reducere tykkelsen af ​​det våde lag med mindst halvdelen for at øge opløsningen, som muligvis giver nok detaljer til at observere det solide elektrolytinterfaselag.

"Laget opfattes at have særegne egenskaber og påvirke batteriets opladnings- og afladningsydelse, "sagde Wang." Dog, forskere har ikke en kortfattet forståelse eller viden om, hvordan det dannes, dens struktur, eller dens kemi. Også, hvordan det ændrer sig ved gentagen opladning og afladning er stadig uklart. Det er meget mystiske ting. Vi forventer, at den flydende celle vil hjælpe os med at afdække dette mystiske lag. "