Verdens mindste batteri:Opladning får elektroder i nanostørrelse til at svulme, langstrakt og spiralformet

(PhysOrg.com) -- Nye billeder i høj opløsning af elektrodeledninger fremstillet af materialer, der bruges i genopladelige lithium-ion-batterier, viser, at de forvredes, når de bliver opladet med elektricitet. Den tynde, ledninger i nanostørrelse vrider sig og feder, når lithium-ioner strømmer ind under opladning, ifølge et papir i denne uges udgave af tidsskriftet Videnskab . Arbejdet antyder, hvordan genopladelige batterier i sidste ende giver ud og kan give indsigt i at bygge bedre batterier.

Batteriudviklere ved, at genopladning og brug af lithiumbatterier igen og igen beskadiger elektrodematerialerne, men disse billeder i nanometerskala giver et virkeligt indblik i hvordan. Tynde tråde af tinoxid, som tjener som den negative elektrode, fede med en tredjedel og strække sig dobbelt så længe på grund af indstrømmende lithiumioner. lithium-ionerne ændrer tinoxidet fra en pænt arrangeret krystal til et amorft glasagtigt materiale.

"Nanotråde af tinoxid var i stand til at modstå deformationer forbundet med elektrisk strøm bedre end bulk tinoxid, som er en skør keramik, " sagde Chongmin Wang, en materialeforsker ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. "Det minder mig om at lave et reb af stål - du vikler tyndere ledninger sammen i stedet for at lave ét tykt reb."

I en af ​​videoerne vist nedenfor, nanotråden ser ud som et sugerør, mens lithium-ionerne virker som en drik, der suges op gennem den. Gentagne formændringer kan beskadige elektrodematerialerne ved at introducere små defekter, der akkumuleres over tid.

Jagter elektroner

I tidligere arbejde på DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus, Wang, PNNL-kemiker Wu Xu og andre kolleger lykkedes med at tage et øjebliksbillede af en større nanotråd på omkring en mikrometer - eller en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår - der var blevet delvist opladet. Men den eksperimentelle opsætning viste ikke opladning i aktion.

For at se dynamikken i en elektrode, der oplades, Wang og Xu gik sammen med Jianyu Huang ved DOE's Center for Integrated Nanotechnologies ved Sandia National Laboratories i New Mexico og andre. Holdet brugte et specielt udstyret transmissionselektronmikroskop til at opsætte et miniaturebatteri. Dette instrument gjorde det muligt for dem at afbilde mindre ledninger på omkring 200 nanometer i diameter (ca. en femtedel af bredden af ​​de tidligere nanotråde), mens de oplades.

Genopladelige lithium-ion-batterier virker, fordi lithium-ioner elsker elektroner. Positivt ladede lithiumioner hænger normalt ud i den positive elektrode, hvor et metaloxid deler sine elektroner med lithium. Men opladning af et batteri pumper frie elektroner ind i den negative elektrode, som sidder på tværs af en sø af elektrolytter, som lithium-ioner kan svømme igennem, men elektroner kan ikke. Lithiumet ønsker elektronerne på den negative side af søen mere end de elektroner, det deler med metaloxidet på den positive side. Så lithium-ioner strømmer fra den positive til den negative elektrode, parrer sig med frie elektroner der.

Men elektroner er omskiftelige. Ved at bruge et batteri i en enhed kan elektronerne glide ud af den negative elektrode, efterlader lithium-ionerne. Så uden frie elektron-ledsager, lithium-ionerne vender tilbage til den positive elektrode og metaloxidets omfavnelse.

Wangs miniaturebatteri inkluderede en positiv elektrode af lithium-koboltoxid og en negativ elektrode lavet af tynde nanotråde af tinoxid. Mellem de to elektroder, en elektrolyt gav en ledning for lithiumioner og en barriere for elektroner. Elektrolytten er specielt designet til at modstå forholdene i mikroskopet.

Da holdet opladede miniaturebatteriet ved en konstant spænding, lithium-ioner trænger op gennem tinoxidtråden, trukket af elektronerne ved den negative elektrode. Tråden blev fedet og forlænget med omkring 250 procent i samlet volumen, og snoede sig som en slange.

Ud over, mikroskopien viste, at tråden startede i en krystallinsk form. Men lithium-ionerne ændrede tinoxidet til et materiale som glas, hvor atomer er arrangeret mere tilfældigt end i en krystal. Forskerne konkluderede, at mængden af ​​deformation, der opstår under opladning og brug, kan slide på batterimaterialer efter et stykke tid. Ikke desto mindre, tinoxidet så ud til at klare sig bedre som en nanotråd end i dens større, bulkform.

"Vi tror, ​​at dette arbejde vil stimulere nytænkning for energilagring generelt, " sagde Wang. "Dette er kun begyndelsen, og vi håber med fortsat arbejde, at det vil vise os, hvordan man designer et bedre batteri."

Fremtidigt arbejde vil omfatte billeddannelse af, hvad der sker, når et sådant miniaturebatteri gentagne gange oplades og aflades. Når et batteri bliver brugt, lithium-ionerne skal løbe tilbage gennem tinoxidtråden og over elektrolytten til den positive elektrode. Hvor meget strukturelle skader det vigende lithium efterlader i sit kølvand, vil hjælpe forskere med at forstå, hvorfor genopladelige batterier holder op med at virke efter at være blevet genopladet så mange gange.

Forskerne vil også gerne udvikle et fuldt fungerende genopladeligt batteri i nanostørrelse.