Kortlægning af batterimaterialer med atompræcision

Lithium-ion-batterier er meget brugt i hjemmeelektronik og bliver nu brugt til at drive elektriske køretøjer og lagre energi til elnettet. Men deres begrænsede antal genopladningscyklusser og tendens til at forringes i kapacitet i løbet af deres levetid har ansporet en hel del forskning i at forbedre teknologien.

Et internationalt hold ledet af forskere fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) brugte avancerede teknikker inden for elektronmikroskopi til at vise, hvordan forholdet mellem materialer, der udgør en lithium-ion batterielektrode, påvirker dens struktur på atomniveau, og hvordan overfladen er meget forskellig fra resten af ​​materialet. Værket blev offentliggjort i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

At vide, hvordan den indre og overfladestruktur af et batterimateriale ændrer sig over en bred vifte af kemiske sammensætninger, vil hjælpe fremtidige undersøgelser af katodetransformationer og kan også føre til udvikling af nye batterimaterialer.

"Denne opdagelse kan ændre den måde, vi ser på fasetransformationer i katoden og det resulterende tab af kapacitet i denne klasse af materiale, " sagde Alpesh Khushalchand Shukla, en videnskabsmand ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores arbejde viser, at det er ekstremt vigtigt fuldstændigt at karakterisere et nyt materiale i dets uberørte tilstand, såvel som efter cykling, for at undgå fejlfortolkninger."

Tidligere arbejde af forskere ved Molecular Foundry, et forskningscenter med speciale i videnskab i nanoskala, afslørede strukturen af ​​katodematerialer indeholdende "overskydende" lithium, løse en langvarig debat.

Ved at bruge en række elektronmikroskoper både ved National Center for Electron Microscopy (NCEM), en Molecular Foundry facilitet, og hos SuperSTEM, den nationale forskningsfacilitet for avanceret elektronmikroskopi i Daresbury, U.K., forskerholdet fandt ud af, at mens atomerne i det indre af katodematerialet forblev i det samme strukturelle mønster på tværs af alle sammensætninger, at mindske mængden af ​​lithium forårsagede en stigning i tilfældighed i positionen af ​​visse atomer i strukturen.

Ved at sammenligne forskellige sammensætninger af katodemateriale med batteriydelse, forskerne viste også, at det var muligt at optimere batteriets ydeevne i forhold til kapaciteten ved at bruge et lavere forhold mellem lithium og andre metaller.

Det mest overraskende fund var, at overfladestrukturen af ​​en ubrugt katode er meget forskellig fra katodens indre. Et tyndt lag materiale på overfladen med en anden struktur, kaldet "spinel"-fasen, blev fundet i alle deres eksperimenter. Flere tidligere undersøgelser havde overset, at dette lag kunne være til stede på både nye og brugte katoder.

Ved systematisk at variere forholdet mellem lithium og et overgangsmetal, som at prøve forskellige mængder af ingredienser i en ny opskrift på småkager, forskerholdet var i stand til at studere forholdet mellem overfladen og den indre struktur og måle materialets elektrokemiske ydeevne. Holdet tog billeder af hver batch af katodematerialerne fra flere vinkler og skabte komplette, 3D-gengivelser af hver struktur.

"At få så præcise, information på atomniveau over længdeskalaer, der er relevante for batteriteknologier, var en udfordring, " sagde Quentin Ramasse, Direktør for SuperSTEM-laboratoriet. "Dette er et perfekt eksempel på, hvorfor de mange billeddannelses- og spektroskopiteknikker, der er tilgængelige i elektronmikroskopi, gør det til et så uundværligt og alsidigt værktøj inden for forskning i vedvarende energi."

Forskerne brugte også en nyudviklet teknik kaldet 4-D scanning transmission elektronmikroskopi (4-D STEM). I transmissionselektronmikroskopi (TEM), billeder dannes efter elektroner passerer gennem en tynd prøve. Ved konventionel scanningstransmissionselektrodemikroskopi (STEM), elektronstrålen er fokuseret ned til en meget lille plet (så lille som 0,5 nanometer, eller milliardtedele af en meter, i diameter), og derefter scannes stedet frem og tilbage over prøven som en plæneklipper på en græsplæne.

Detektoren i konventionel STEM tæller simpelthen, hvor mange elektroner der er spredt (eller ikke spredt) i hver pixel. Imidlertid, i 4D-STEM, forskerne bruger en højhastigheds elektrondetektor til at registrere, hvor hver elektron spredes, fra hvert scannet punkt. Det giver forskere mulighed for at måle den lokale struktur af deres prøve ved høj opløsning over et stort synsfelt.

"Introduktionen af ​​højhastigheds-elektronkameraer giver os mulighed for at udtrække information på atomare skala fra meget store prøvedimensioner, sagde Colin Ophus, en forsker ved NCEM. "4D-STEM eksperimenter betyder, at vi ikke længere behøver at foretage en afvejning mellem de mindste egenskaber, vi kan løse, og det synsfelt, vi observerer - vi kan analysere atomstrukturen af ​​hele partiklen på én gang."