Forskerteam udvikler sonde til batteriforskning

Argonne team udvikler en kraftfuld teknik til i tre dimensioner at undersøge den krystallinske struktur af katodematerialer på nanoskalaen.

En af de mange styrker ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory er dets evne til at samle dybe og brede tværfaglige teams til at løse komplekse videnskabelige problemer. Disse teams råder over et væld af faciliteter i verdensklasse til forskning, herunder Advanced Photon Source (APS)-en DOE Office of Science-brugerfacilitet, der giver ultra-lyse, høj-energi røntgenstråler til forskning i forgrunden materialer.

Et sådant Argonne-team har udviklet en kraftfuld ny teknik til i tre dimensioner at undersøge den krystallinske mikrostruktur for katodematerialerne i næste generations batterier. Sådanne batterier kan en dag revolutionere energilagring til både transport og elnettet.

"Vores projekt krævede et tværfagligt team med ekspertise inden for batterimaterialer og kemi, Spredning af røntgenstråler, computerprogrammering og kompleks dataanalyse - ekspertise let tilgængelig hos Argonne, "sagde Raymond Osborn, medforstander for dette projekt i Argonnes Materials Science-afdeling sammen med Stephan Rosenkranz. "Dette er et perfekt eksempel på videnskab i stor skala, udnytte Argonnes tværfaglige team og faciliteter i verdensklasse til at løse komplekse problemer med en potentiel samfundsmæssig indvirkning. "

Teamet omfattede forskere fra fire Argonne -divisioner:Materials Science, Kemisk videnskab og teknik, Datavidenskab og læring og røntgenvidenskab. Postdoktor Matthew Krogstad i divisionen Materials Science var ansvarlig for centrale innovationer, der gjorde succes i projektet mulig.

Også nøglen til succes var brugen af ​​de højenergiske røntgenstråler, der kun var tilgængelige på synkrotronfaciliteter såsom APS og Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) placeret på Cornell University. "Røntgenstråler med meget høj energi, som dem, der er tilgængelige i APS, trænge dybt inde i katodematerialet, muliggør disse banebrydende målinger, "sagde Jonathan Lang, direktør for APS X-ray Science division.

Frukten af ​​dette tværfaglige projekt er et vigtigt nyt værktøj til at undersøge, hvad der sker under processen med "interkalering" - indsættelse af ioner mellem lagene i en katode, når et batteri genererer elektricitet. Efter denne proces er "deinterkalering" - ekstraktion af de samme ioner fra katoden, når et batteri oplades.

Det konventionelle lithium-ion-batteri fungerer ved denne proces. I søgen efter bedre katodematerialer, forskere har anvendt røntgen- og elektrondiffraktion til at bestemme, hvordan litiumioner eller andre intercalanter kan udvikle lange rækkefølge bestilte strukturer. Sådanne strukturer hæmmer metalionernes bevægelse inde i katoden, derved forhindrer deres ekstraktion og indsættelse under cykling og reducerer batteriets ydeevne.

Skjult for syn indtil nu, imidlertid, har været den korte rækkefølge, som også forstyrrer ionisk mobilitet, men kan ikke observeres ved konventionelle diffraktionsteknikker.

"Kort rækkevidde er ekstremt udfordrende at måle og endnu sværere at modellere, "Bemærkede Osborn, "men de seneste fremskridt inden for synkrotronkilder gør det nu praktisk at anvende nye teknikker til at visualisere resultaterne og overvåge de ioniske korrelationer i detaljer som en funktion af temperaturen."

Forskergruppen forberedte først en enkelt krystal af et lagdelt vanadiumoxidkatodemateriale med indsatte natriumioner. De valgte dette materiale, fordi natriumionbatterier overvejes som et alternativ til lithium-ion-batterier på grund af den større overflod og lavere pris på natrium.

På APS og skak, teammedlemmer målte derefter spredningen af ​​højenergirøntgenstråler fra krystallen og bestemte de korte afstande mellem natriumionerne i krystalstrukturen ved forskellige temperaturer. Ud fra disse målinger, de bestemte sandsynligheden for, om alle mulige atomsteder i krystalstrukturen var besat af et atom eller ej, ved hjælp af en metode kendt som "3-D-ΔPDF."

"Dataene er af så høj kvalitet, at disse 3D-sandsynlighedskort ligner billeder i atomskala, "Krogstad sagde." Du kan se, hvor natriumionerne er, uden at skulle foretage nogen kompliceret analyse. Vi var forbløffede, da vi først så, hvor intuitive resultaterne var at forstå. "

Disse tredimensionelle "billeder" afslørede, at natriumionerne danner et zig-zag-mønster i separate søjler blandt vanadiumoxidatomerne (se figur). Denne atomordre i krystalstrukturen stiger med faldende temperatur under stuetemperatur. I et natriumbatteri, ionerne ville diffundere langs zig-zag-stierne.

"Jo større forstyrrelse i det zig-zag-mønster, "forklarede Osborn, "jo bedre for ionmobilitet. Og jo bedre ionmobilitet, jo bedre ydelse af katodematerialet. "

"Disse fund giver en meget forbedret forståelse af, hvordan orden-uorden overgange begrænser mobiliteten af ​​natriumioner, "Rosenkranz sagde." Forskere kan også bruge sådanne målinger til at vurdere effektiviteten af ​​strategier til at reducere sådanne negative effekter og derved øge katodeydelsen. "

"Mens vores forskning fokuserede på et udvalgt katodemateriale i et natriumionbatteri, "tilføjede Rosenkranz, "vores metode gælder for at undersøge kortdistanceordenen i mange andre krystallinske materialer med en række teknologiske anvendelser som funktion af temperatur eller andre variabler."

Denne forskning optrådte i Naturmaterialer , "Gensidig rumbillede af ioniske korrelationer i interkaleringsforbindelser."