Forskere afslører batteriadfærd i nanoskalaen

(PhysOrg.com) - Efterhånden som industrier og forbrugere i stigende grad søger forbedrede batterikilder, banebrydende mikroskopi udført på Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory giver et hidtil uset perspektiv på, hvordan lithium-ion-batterier fungerer.

Et forskerhold ledet af ORNLs Nina Balke, Stephen Jesse og Sergei Kalinin har udviklet en ny type scanning sonde mikroskopi kaldet elektrokemisk stamme mikroskopi (ESM) for at undersøge bevægelsen af ​​lithiumioner gennem et batteris katodemateriale. Forskningen, "Nanoskala kortlægning af iondiffusion i en lithium-ion batterikatode" (Balke et al.), er udgivet i Naturnanoteknologi .

"Vi kan give et detaljeret billede af ionisk bevægelse i nanometervolumener, som overskrider den nyeste elektrokemiske teknik med seks til syv størrelsesordener, "Sagde Kalinin. Forskere opnåede resultaterne ved at anvende spænding med en ESM -probe til overfladen af ​​batteriets lagdelte katode. Ved at måle den tilsvarende elektrokemiske belastning, eller volumenændring, teamet var i stand til at visualisere, hvordan litiumioner flød gennem materialet. Konventionelle elektrokemiske teknikker, som analyserer elektrisk strøm i stedet for belastning, fungerer ikke på et nanoskala -niveau, fordi de elektrokemiske strømme er for små til at måle, Forklarede Kalinin.

"Dette er de første målinger, så vidt vi ved, af lithiumionstrøm ved denne rumlige opløsning, "Sagde Kalinin.

Lithium-ion batterier, som driver elektroniske enheder fra mobiltelefoner til elbiler, er værdsat for deres lave vægt, høj energitæthed og genopladningsevne. Forskere håber at forlænge batteriernes ydeevne ved at låne ingeniører en finjusteret viden om batterikomponenter og dynamik.

"Vi vil forstå - fra et nanoskala -perspektiv - hvad der får et batteri til at fungere og et batteri svigter. Dette kan gøres ved at undersøge dets funktionalitet på niveau med et enkelt korn eller en udvidet defekt, Sagde Balke.

Teamets ESM -billeddannelse kan vise funktioner som individuelle korn, kornhobe og defekter i katodematerialet. Kortlægningen i høj opløsning viste, for eksempel, at lithiumionstrømmen kan koncentrere sig langs korngrænser, hvilket kan føre til revner og batterisvigt. Forskere siger, at denne type nanoskala -fænomener skal undersøges og korreleres med den overordnede batterifunktionalitet.

"Meget små ændringer på nanometer -niveau kan have stor indflydelse på enhedsniveau, "Balke sagde." At forstå batterierne i denne længdeskala kan hjælpe med at komme med forslag til materialeteknik. "

Selvom forskningen fokuserede på lithium-ion-batterier, teamet forventer, at dets teknik kan bruges til at måle andre elektrokemiske solid-state systemer, herunder andre batterityper, brændselsceller og lignende elektroniske enheder, der anvender nanoskala ionisk bevægelse til opbevaring af oplysninger.

"Vi ser denne metode som et eksempel på de former for højere dimensionelle scanningsprobeteknikker, som vi udvikler på CNMS, der gør det muligt for os at se de indre virkninger af komplekse materialer på nanoskalaen, "Jesse sagde." Sådanne kapaciteter er især relevante for det stadig vigtigere område inden for energiforskning. "