Røntgenanalyse afslører opladningsmekanismen for et lovende elektrodemateriale

En eksperimentel teknik udviklet af A*STAR-forskere er blevet brugt til at spore de kemiske og strukturelle ændringer i en elektrode, når et batteri aflades. Den røntgenbaserede teknik skal bidrage til at forbedre ydeevnen af ​​materialer i næste generations batterier.

Lithium-ion-batterier er meget brugt i vores daglige liv, for eksempel i mobile enheder og elektriske køretøjer. De lagrer og frigiver energi ved at flytte lithiumioner mellem to elektroder (se billede). Men mængden af ​​energi, som disse elektroder kan lagre, og den hastighed, hvormed batterierne oplades eller aflades, er stadig relativt begrænset. I øvrigt, gentagen brug kan få elektroderne til at udvide sig og trække sig sammen, forringe deres præstationer over tid.

Elektroder indeholdende titaniumdioxid nanorør organiseret i en form kendt som bronzefasen kunne hjælpe med at overvinde disse restriktioner, fordi materialet har en høj teoretisk ladekapacitet og dets volumen ændrer sig lidt under drift. Imidlertid, dens opladningsmekanisme er ikke fuldt ud forstået, på grund af begrænsningerne af analytiske værktøjer, der direkte kan undersøge overfladeopladningsprocessen.

Yonghua Du fra A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, og Xiaodong Chens gruppe ved Nanyang Technological University har nu løst dette problem ved at bruge Singapore Synchrotron Light Source til at udføre røntgenabsorptionsspektroskopimålinger på titaniumdioxidelektroderne under drift.

De opdagede, at den gennemsnitlige ladning af materialets titaniumatomer, kendt som deres valenstilstand, faldt støt fra cirka fire til tre, da materialet akkumulerede lithium-ioner under udledning. Eksperimenterne afslørede også, hvordan materialets krystalstruktur udvidede sig, efterhånden som lithiumioner akkumulerede i elektroden. Da titaniumatomer i en lavvalenstilstand er lidt større end dem i en højere valenstilstand, dette forvrængede krystalstrukturen yderligere. "Der sker en faseovergang under opladning og afladning, " forklarer Du.

Forskellige mekanismer til ladningslagring kan forekomme ved elektrodens overflade, som eksperimenterne kvantificerede for første gang. De viste, at det meste af batteriets lagerkapacitet afhænger af ændringen i titaniums valenstilstand. Yderligere test viste, at hule titaniumdioxid nanorør kunne lagre mere ladning end nanotråde af samme materiale.

Efterhånden som udledningshastigheden steg, en større andel af lithium-ioner blev lagret på elektrodens overflade, snarere end dybt inde i dens struktur. Dette reducerede ændringen i den gennemsnitlige valenstilstand af titanium, hvilket i sidste ende sænkede elektrodens energikapacitet.

Denne analyse af, hvordan lithium-ion-batterierne fungerer, vil hjælpe med at vejlede forskere, når de designer elektrode-nanostrukturer for at forbedre lithium-ion-lagring og mobilitet. Du bemærker, at deres røntgenabsorptionsspektroskopiteknik også kunne anvendes på andre elektrodematerialer.