Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Kortlægning af kemiske reaktioner på nanoskala inde i batterier i 3-D

Lithium jernfosfat. Kredit:Jordi Cabana

Forskere fra University of Illinois i Chicago og Lawrence Berkeley National Laboratory har udviklet en ny teknik, der lader dem lokalisere placeringen af ​​kemiske reaktioner, der sker inde i lithium-ion-batterier i tre dimensioner på nanoskalaniveau. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"At kende de præcise placeringer af kemiske reaktioner i individuelle nanopartikler, der deltager i disse reaktioner, hjælper os med at identificere, hvordan et batteri fungerer og afdække, hvordan batteriet kan optimeres for at få det til at fungere endnu bedre, sagde Jordi Cabana, lektor i kemi ved UIC og medkorresponderende forfatter på papiret.

Når et batteri oplades og aflades, dens elektroder - de materialer, hvor de reaktioner, der producerer energi finder sted - skiftevis oxideres og reduceres. De kemiske veje, hvormed disse reaktioner finder sted, er med til at bestemme, hvor hurtigt et batteri bliver opbrugt.

Værktøjer til rådighed til at studere disse reaktioner kan kun give information om den gennemsnitlige sammensætning af elektroder på et givet tidspunkt. For eksempel, de kan lade en forsker vide, hvor stor en procentdel af elektroden der er blevet permanent oxideret. Men disse værktøjer kan ikke give information om placeringen af ​​oxiderede dele i elektroden. På grund af disse begrænsninger, det er ikke muligt at sige, om reaktioner er begrænset til et bestemt område af elektroden, såsom overfladen af ​​materialet, eller hvis reaktioner finder sted ensartet gennem hele elektroden.

"At være i stand til at se, om der er en tendens til, at en reaktion finder sted i en bestemt del af elektroden, og endnu bedre, placeringen af ​​reaktioner i individuelle nanopartikler i elektroden, ville være ekstremt nyttigt, for så kunne du forstå, hvordan disse lokaliserede reaktioner korrelerer med batteriets opførsel, såsom dens opladningstid eller antallet af genopladningscyklusser, den kan gennemgå effektivt, " sagde Cabana.

Den nye teknik, kaldet røntgen ptykografisk tomografi, opstod gennem et partnerskab mellem kemikere ved UIC og forskere ved Advanced Light Source, ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien. Avancerede lyskildeforskere udviklede instrumenterings- og målealgoritmerne, som blev brugt til at hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om batterimaterialer og adfærd identificeret af UIC-teamet.

Sammen, de to hold brugte den tomografiske teknik til at se på snesevis af nanopartikler af lithium-jernfosfat genvundet fra en batterielektrode, der var blevet delvist opladet. Forskerne brugte en sammenhængende, nanoskala stråle af røntgenstråler genereret af højflux synkrotronacceleratoren ved den avancerede lyskilde for at udspørge hver nanopartikel. Materialets absorptionsmønster gav forskerne information om jernets oxidationstilstand i nanopartiklerne i røntgenstrålen. Fordi de var i stand til at flytte strålen blot et par nanometer over og køre deres forhør igen, holdet kunne rekonstruere kemiske kort over nanopartiklerne med en opløsning på omkring 11 nanometer. Ved at rotere materialet i rummet, de kunne skabe en tredimensionel tomografisk rekonstruktion af hver nanopartikels oxidationstilstande. Med andre ord, de kunne fortælle, i hvilket omfang en individuel nanopartikel af lithiumjernfosfat havde reageret.

"Ved at bruge vores nye teknik, vi kunne ikke kun se, at individuelle nanopartikler udviste forskellige omfang af reaktion på et givet tidspunkt, men også hvordan reaktionen arbejdede sig gennem det indre af hver nanopartikel, " sagde Cabana.