Kigger ind i batterier:Røntgenstråler afslører lithium-ion-mysterier

Milliarder af smartphone-ejere er bekendt med det frygtede "lavt batteri"-symbol på deres enheder. Mens forbrugerne stønner, forskere arbejder på at forstå hvorfor og hvornår lithium-ion-batterier i telefoner, plug-in elbiler, og andre applikationer mister opladningen eller fejler.

Et af de bedste værktøjer, forskerne bruger i denne undersøgelse, er røntgenstråler fra Department of Energy's (DOE) avancerede lyskilder. Disse lyskilder bruger stråler af elektroner til at producere røntgenstråler, der er mere end en milliard gange stærkere end dem på tandlægens kontor. Sammenlignet med svagere røntgenstråler tilgængelige i andre faciliteter, lyskilderne giver forskerne mulighed for at indsamle flere data mere detaljeret, end de ellers ville være i stand til. Forskere bruger disse unikke værktøjer til at undersøge, hvordan lithium-ion-batterier fungerer i realtid.

Fra laboratoriet til vejen

I 1990'erne, eksisterende batterimaterialer var simpelthen ikke egnede til det niveau af kraft og ydeevne, der kræves til hybrid- eller plug-in-elbiler. Som svar, forskere ved DOE's Argonne National Laboratory brugte Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, at observere interaktioner inden for batterier på atomniveau for første gang.

APS lader også forskere se, hvad der sker på atomniveau, mens batterier oplades og aflades. Med denne forståelse, producenter kan forbedre batteriernes ydeevne og levetid og i sidste ende kunne fremstille mere overkommelige og effektive elektronik og plug-in elektriske køretøjer.

Forskere gør dette ved at bruge APS til at se på batterier in situ, eller mens de rent faktisk arbejder. Tidligere, videnskabsmænd kørte test på et batteri, tog den ad, og undersøgte det under et mikroskop. I modsætning, at studere batterier in situ giver dem både mulighed for at se atomer, der bevæger sig inde i batteriet, og til at måle stabiliteten af ​​den molekylære struktur under opladning og afladningsprocessen.

Da forskere støttet af Office of Science kortlagde det grundlæggende, de overførte arbejdet til anvendte videnskabsmænd støttet af DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Denne forskning førte til en ny katode til lithium-ion-batterier, der var sikrere, mere overkommelig, og i stand til at lagre mere energi end nogensinde før. (Katoden er den positive elektrode i en battericelle, som accepterer lithiumioner og elektroner fra den negative anode under afladning eller brug.) Faktisk, disse fremskridt var så betydelige, at Chevrolet brugte katoden i det første plug-in elektriske køretøj på massemarkedet - Volt.

Røntgen:Hård og blød

Både lufthavnssikkerhedsmaskiner og APS producerer "hårde" røntgenstråler, som er højere energi med kortere bølgelængder (mindre end 1 nanometer eller 1/100, 000. tykkelsen af ​​et stykke papir). Hårde røntgenstråler er meget gode til at penetrere materialer og se på atomare strukturer.

I modsætning, "bløde" røntgenstråler er lavere energi med længere bølgelængder (1-10 nanometer). Mens deres bølgelængder er for lange til at undersøge atomare strukturer, de giver "virkelig udsøgt kemisk information, " ifølge David Shapiro, en fysiker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Ved at bruge disse røntgenstråler, forskere kan undersøge kemiske tilstande og disse tilstandes transformationer inden for nanomaterialer. Den avancerede lyskilde hos LBNL, en DOE Office of Science brugerfacilitet, er en af ​​verdens lyseste kilder til bløde røntgenstråler.

Hver af disse lyskilder gør det muligt for forskere at studere et andet aspekt af lithium-ion-puslespillet.

"Hver enkelt teknik har en form for mangel med hensyn til hele historien, " sagde Jason Croy, en materialeforsker ved Argonne. "[Men] hver teknik kan være virkelig kraftfuld til at give dig visse stykker information."

Faktisk, forskere nyder udfordringen med at samle de forskellige resultater sammen.

"Det er et fantastisk felt, fordi det udnytter styrkerne ved alle faciliteterne, " sagde Shapiro.

Undersøgelse af batterier fra alle vinkler

Forskere fra nationale laboratorier, universiteter, og andre forskningsinstitutioner bruger brugerfaciliteternes exceptionelle instrumenter til at grave dybere ned i lithiums interaktioner. Arbejdet ved de tre lyskilder er støttet af DOE's Office of Science.

Forstå dislokationer ved Argonne:Forskere ved Argonne bygger videre på det arbejde, der bidrog til Chevrolet Volts katode. Den oprindelige undersøgelse søgte at forstå strukturen af ​​lithium med mangan og andre overgangsmetaloxidformer, før det gik gennem flere ladnings-afladningscyklusser.

Nu, forskere ser på, hvordan batteriets struktur nedbrydes over tid. Når batteriet oplades og aflades, lithium-ionerne bevæger sig ind og ud af anoden og katoden. Imidlertid, andre atomer i elektroderne bevæger sig også, forårsager skade og reducerer batteriets evne til at levere energi. Ved at bruge APS, videnskabsmænd undersøgte, hvordan disse enkelte atomer bevæger sig og sporede, hvordan strukturen ændrer sig med brug.

I øjeblikket, forskere ændrer batteriernes struktur og ser, hvordan disse ændringer påvirker batterierne. Ideelt set disse ændringer vil øge stabiliteten af ​​batteriernes strukturer, minimere nedbrydning, og forbedre deres præstationer.

Brookhaven Views Batterier i 5D:DOE's Brookhaven National Laboratory (BNL) tilføjede for nylig en anden dimension til batteriforskning. De udviklede det hidtil mest omfattende kig på batterier:et 3D-kemisk kort på nanometerskala, der kortlægger ændringer over tid.

Normalt, Røntgenspektroskopi producerer 2D-billeder, der viser gennemsnittet af, hvad der foregår på tværs af en hel prøve. Det viser ikke, hvad der sker i individuelle lag.

I modsætning, BNL-holdet kombinerede National Synchrotron Light Source (NSLS) – dengang en DOE-brugerfacilitet – og et unikt røntgenmikroskop med fuld-felt transmission for at udvikle en ny røntgen-nano-billedteknik. Forskerne roterede batteriprøver 180 grader under hårde røntgenstråler af forskellige røntgenenergier.

"Dette er første gang [vi kan] in-situ overvåge fasetransformationen i 3-D på nanometerskala i en fungerende battericelle, " sagde Jun Wang, en fysiker ved BNL.

Wang og hendes kolleger vil fortsætte deres arbejde på NSLS-II, som vil følge efter den originale NSLS. NSLS-II vil til sidst give bjælker 10, 000 gange lysere end sin forgænger, giver videnskabsfolk mulighed for at studere disse reaktioner på en endnu finere tidsskala.

Hurtig vs. langsom opladning hos Lawrence Berkeley:LBNL-forskere undersøger det samme problem, men fra et andet perspektiv og med en anden maskine. Brug af bløde røntgenstråler fra den avancerede lyskilde (ALS), de ser på, hvordan opladningshastigheden, og om et batteri oplades eller aflades, påvirker fordelingen og transporten af ​​ioner.

Et team af forskere fra Stanford University, arbejder med LBNL, bygget et gennemsigtigt batteri i nanoskala, der har en ti-milliard af opladningen af ​​en smartphone. Det giver dem mulighed for at observere bevægelsen af ​​individuelle lithiumioner.

Ideelt set ioner bør fordele sig jævnt over elektroderne, når de bevæger sig frem og tilbage. Desværre, det gør de ikke, forårsager stress på visse steder.

Holdet fandt ud af, at langsom opladning faktisk resulterede i mere uregelmæssig fordeling end hurtig opladning. Dette var overraskende, i betragtning af at hurtig opladning normalt anses for at være mere skadelig for batteriet. De fandt også ud af, at opladning af batteriet forårsagede mere ujævn fordeling end afladning, eller ved at bruge batteriet, gør.

Med udgangspunkt i denne forskning, LBNL-forskere kan muligvis reducere én kilde til skade på batterier, forbedre deres ydeevne og levetid.