Se under motorhjelmen i batterier

Fra næste generations smartphones til elbiler med længere rækkevidde og et forbedret elnet, bedre batterier driver teknologisk innovation. Og for at skubbe batterierne ud over deres nuværende ydeevne, forskere ønsker at se "under motorhjelmen" for at lære, hvordan de enkelte ingredienser i batterimaterialer opfører sig under overfladen.

Dette kan i sidste ende føre til batteriforbedringer såsom øget kapacitet og spænding.

Men mange af de teknikker, videnskabsmænd bruger, kan kun ridse overfladen af, hvad der er på arbejde inde i batterier, og en højfølsom røntgenteknik ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tiltrækker en voksende gruppe af forskere, fordi den giver en dybere, mere præcist dyk ned i batterikemi.

"Folk forsøger at skubbe driften af ​​batterier ud over, hvad de fik før, " sagde Wanli Yang, en stabsforsker ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), som tilpassede en røntgenteknik kendt som RIXS (resonant uelastisk røntgenspredning), til brug i ALS-forsøg med fokus på batterier og andre energimaterialer. ALS producerer lysstråler lige fra infrarød til røntgenstråler for at understøtte en række simultane eksperimenter, der udføres af forskere fra hele verden, der bruger anlægget.

Teknikken, som Yang tilpassede til batteriforskning, kendt som højeffektiv mRIXS (kortlægning af RIXS), har tiltrukket sig særlig interesse fra forskere, der studerer design til elektroder, som er de batterikomponenter, hvorigennem strøm passerer ind og ud af batteriet. Tidligere, RIXS var først og fremmest kendt som et værktøj til at udforske grundlæggende fysik i materialer, og Yang, arbejde med teoretikere og andre, har været med til at anvende teknikken på nye forskningsfelter.

"Forskere forsøgte at se inde i et batterimateriale - ikke kun på overfladen, men også i hovedparten - for at lære om dets oxygenatomer og metaltilstande, "Yang sagde. "De fleste konventionelle teknikker mangler enten dybden af ​​sonden eller den kemiske følsomhed, der kan tilbydes af mRIXS."

MRIXS kan bruges til at scanne prøver af batterielektroder for at måle de kemiske tilstande af forskellige elementer på et bestemt punkt i batteriets opladnings- eller afladningscyklus. Det er effektivt til at måle populære batterimaterialer, såsom dem kendt som "lower transition metal oxides", der kan være lettere og mere omkostningseffektive end nogle alternativer.

Det kan fortælle forskerne, om og hvor fuldt ud, batterimaterialer får og mister elektroner og ioner - positivt eller negativt ladede atomer - på en stabil måde, så de kan lære, hvor hurtigt og hvorfor et batteri nedbrydes, for eksempel.

Under et batteris drift, iltatomet i en batterielektrode kan reduceres (få elektroner) og oxideres (taber elektroner), som er kendt som en "oxygen redox" reaktion. En sådan ændring i ilttilstande har vist sig at hæmme batteriets ydeevne i undersøgelser af såkaldte lithium-rige elektroder, som potentielt tilbyder mere lithiumlagring og dermed højere kapacitet.

"Ændringer i ilttilstande kan gøre batteriet usikkert og også udløse andre bivirkninger", hvis processen ikke er reversibel, sagde Yang. "Strukturen kan også kollapse."

Men reversibel oxygenredox, der finder sted inde i elektroden, er en god ting. mRIXS-teknikken kan detektere, om oxygenredoxtilstandene er reversible, og kan også detektere metaltilstande i elektroden.

Denne unikke egenskab gør også mRIXS særlig anvendelig til undersøgelser af højspænding, batterimaterialer med høj kapacitet, der er blevet et voksende fokus for batteri-F&U.

Teknikken fungerer ved langsomt at scanne med røntgenstråler på tværs af en prøve, der kemisk bevarer et punkt i batteriets opladnings- eller afladningscyklus. En kortscanning tager nu omkring tre timer at gennemføre pr. prøve - en sådan fuld-kortscanning ville tage dage, før det højeffektive RIXS-system blev introduceret på ALS.

"Det unikke ved systemet her er ikke kun på dataindsamlingstiden, men dens evne til at se på ukonventionelle kemiske tilstande, der typisk ikke er særlig stabile under røntgenstråler, " sagde han. Forbedringen i detektionseffektivitet er vigtig for at bevare prøven før indtræden af ​​enhver skade forårsaget af røntgenstrålerne. Dette er også en teknisk udfordring, som kan løses af fremtidige lyskilder med meget forbedret røntgenlysstyrke , såsom ALS Upgrade (ALS-U) projektet, og ALS-forskere arbejder nu på at forbedre detektionseffektiviteten yderligere.

Teknikken har været integreret i flere batteriundersøgelser offentliggjort i de seneste måneder:

• Et studie, udgivet i februar, fokuseret på oxygenredoxtilstande i et kommercielt levedygtigt lithiumbatterimateriale indeholdende lithium, nikkel, kobolt, mangan, og oxygen til en elektrode kendt som en katode.
• Oxygen redoxtilstande i batterimaterialer var også i fokus for andre undersøgelser i februar, herunder en fokuseret på et natrium-batterimateriale indeholdende natrium, lithium, mangan, og oxygen.
• Flere undersøgelser af lithium-rige oxidelektroder har brugt mRIXS til at løse deres iltkemi:En undersøgelse i januar fokuserede på at reducere det spændingsrelaterede batterinedbrydning; og en anden undersøgelse i marts demonstrerede hurtig opladning og afladning af et materiale med reversibel oxygenkemi.
• En undersøgelse i november 2019 brugte også mRIXS til at se på svovltilstanden, frem for ilt, i lithium-rige sulfid batterimaterialer.

Yang sagde, at den voksende brug af teknikken i batteriets R&D-samfund er opmuntrende, og forskere ved ALS arbejder på at opbygge mere kapacitet til disse eksperimenter.

"Efterspørgslen stiger ekstremt hurtigt, og ALS er i gang med at udvikle nye RIXS-systemer med endnu højere gennemløb på grund af denne demonstrerede kapacitet og stigende efterspørgsel, " sagde Yang.

"At have RIXS introduceret i energimaterialeforskning er en ny ting, " Yang tilføjede. "Hvis vi på ALS efter 10 år bliver anerkendt som de mennesker, der skubbede til en grundlæggende fysikteknik til at studere batterier og andre energimaterialer, det er det, vi skal være stolte af. "Dette er som et nyt felt, og samfundet havde hårdt brug for et sådant værktøj."