Forskere kigger ind i tunneler i atomstørrelse på jagt efter et bedre batteri

Batteriforskere, der søger forbedrede elektrodematerialer, har fokuseret på "tunnelerede" strukturer, der gør det lettere for ladningsbærende ioner at bevæge sig ind og ud af elektroden. Nu har et team ledet af en forsker ved University of Illinois i Chicago brugt et specielt elektronmikroskop med atomopløsningsopløsning for at vise, at visse store ioner kan holde tunnellerne åbne, så de ladningsbærende ioner let kan komme ind og ud af elektroden og hurtigt.

Fundet er rapporteret i Naturkommunikation .

"Der er foretaget betydelig forskning for at øge energitætheden og effekttætheden for lithium -ion -batterisystemer, "siger Reza Shahbazian-Yassar, lektor i maskin- og industriteknik ved UIC.

Den nuværende generation, han sagde, er nyttig nok til bærbare enheder, men den maksimale energi og effekt, der kan udvindes, er begrænsende.

"Så for en elbil, vi er nødt til at øge batteriets energi og effekt - og også reducere omkostningerne, " han sagde.

Hans team, som omfatter kolleger på Argonne National Laboratory, Michigan Technological Institute og University of Bath i Storbritannien, har fokuseret på at udvikle en katode baseret på mangandioxid, et meget lavt og miljøvenligt materiale med høj lagerkapacitet.

Mangandioxid har en gitterstruktur med regelmæssigt adskilte tunneler, der tillader ladningsbærere - som lithiumioner - frit at bevæge sig ind og ud.

"Men for at tunnelerne overlever for langvarig funktion, de har brug for understøttelsesstrukturer i atomskala, "Sagde Shahbazian-Yassar." Vi kalder dem tunnelstabilisatorer, og de er generelt store, positive ioner, som kalium eller barium. "

Men tunnelstabilisatorerne, være positivt ladet som lithiumionerne, skulle afvise hinanden.

"Hvis litium går ind, vil tunnelstabilisatoren komme ud? "Shahbazian-Yassar trak på skuldrene." Forskersamfundet var uenig om tunnelstabilisatorers rolle under overførslen af ​​lithium til tunneler. Hjælper det, eller ondt? "

Den nye undersøgelse repræsenterer den første brug af elektronmikroskopi til at visualisere atomstrukturen i tunneler i et endimensionelt elektrodemateriale-som forskerne siger ikke tidligere havde været muligt på grund af vanskeligheden ved at forberede prøver. Det tog dem to år at etablere proceduren for at lede efter tunneler i kaliumdopede nanotråde af mangandioxid ned til enkeltatom-niveau.

Yifei Yuan, en postdoktor, der arbejder sammen på Argonne National Laboratory og UIC og hovedforfatteren på undersøgelsen, var derefter i stand til at bruge en kraftfuld teknik kaldet aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi til at forestille tunnellerne ved sub-ångstrom-opløsning, så han tydeligt kunne se inde i dem-og han så, at de ændrer sig i nærvær af en stabilisatorion.

"Det er en direkte måde at se tunnellerne på, "Sagde Yuan." Og vi så, at når du tilføjer en tunnelstabilisator, tunnelerne udvides, deres elektroniske strukturer ændrer sig også, og sådanne ændringer gør det muligt for lithiumionerne at bevæge sig ind og ud, omkring stabilisatoren. "

Fundet viser, at tunnelstabilisatorer kan hjælpe med overførsel af ioner til tunneler og hastigheden for opladning og afladning, Sagde Shahbazian-Yassar. Tilstedeværelsen af ​​kaliumioner i tunnellerne forbedrer den elektroniske ledningsevne af mangandioxid og lithiumioners evne til hurtigt at diffundere ind og ud af nanotråde.

"Med kaliumioner, der bliver i midten af ​​tunnellerne, kapacitetsbevarelsen forbedres med det halve under høj cykelstrøm, hvilket betyder, at batteriet kan holde til sin kapacitet i længere tid, " han sagde.