Nikkelblok:Et elements kærlighed-had forhold til batterielektroder

Enhver, der ejer en elektronisk enhed, ved, at lithium-ion-batterier kunne fungere bedre og holde længere. Nu, forskere, der undersøger batterimaterialer på nanoskala, afslører, hvordan nikkel danner en fysisk barriere, der forhindrer pendling af lithium-ioner i elektroden, reducere hvor hurtigt materialerne oplades og aflades. Udgivet i sidste uge i Nano bogstaver , forskningen foreslår også en måde at forbedre materialerne på.

Forskerne, ledet af Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory's Chongmin Wang, skabt højopløselige 3D-billeder af elektrodematerialer lavet af lithium-nikkel-manganoxid lagdelte nanopartikler, kortlægning af de enkelte elementer. Disse kort viste, at nikkel dannede klumper på bestemte steder i nanopartiklerne. En højere forstørrelsesvisning viste, at nikkel blokerer kanalerne, gennem hvilke lithiumioner normalt bevæger sig, når batterier oplades og aflades.

"Vi var overraskede over at se nikkel selektivt udskille sig, som det gjorde. Da de bevægelige lithiumioner ramte det segregerede nikkelrige lag, de støder i det væsentlige på en barriere, der ser ud til at bremse dem, " sagde Wang, en materialeforsker baseret på EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en DOE-brugerfacilitet på PNNL's campus. "Blodsen dannes i fremstillingsprocessen, og vi vil gerne finde en måde at forhindre det på."

Lithium-ioner er positivt ladede atomer, der bevæger sig mellem negative og positive elektroder, når et batteri oplades eller er i brug. De fanger eller frigiver i det væsentlige de negativt ladede elektroner, hvis bevægelse gennem en enhed såsom en bærbar computer danner den elektriske strøm.

I lithium-manganoxid-elektroder, mangan- og oxygenatomerne danner rækker som et felt med majsstængler. I kanalerne mellem stilkene, lithium-ioner lyner mod elektroderne i hver ende, retningen afhængig af om batteriet bruges eller oplades.

Forskere har længe vidst, at tilsætning af nikkel forbedrer, hvor meget energi elektroden kan holde, batterikvaliteter kendt som kapacitet og spænding. Men videnskabsmænd har ikke forstået, hvorfor kapaciteten falder efter gentagen brug - en situation, som forbrugere oplever, når et døende batteri holder sin opladning i mindre og kortere tid.

At finde ud af, Wang, Materialeforsker Meng Gu og deres samarbejdspartnere brugte elektronmikroskopi på EMSL og National Center for Electron Microscopy ved Lawrence Berkeley National Laboratory for at se, hvordan de forskellige atomer er arrangeret i elektrodematerialerne produceret af Argonne National Laboratory-forskere. Elektroderne var baseret på nanopartikler lavet med lithium, nikkel, og manganoxider.

Først, holdet tog billeder i høj opløsning, der tydeligt viste rækker af atomer adskilt af kanaler fyldt med lithium-ioner. På overfladen, de så ophobning af nikkel i enderne af rækkerne, blokerer i det væsentlige lithium i at bevæge sig ind og ud.

For at finde ud af, hvordan overfladelaget er fordelt på og inden for hele nanopartiklerne, holdet brugte en teknik kaldet tredimensionel kompositionskortlægning. Ved at bruge en nanopartikel på omkring 200 nanometer i størrelse, de tog 50 billeder af de enkelte grundstoffer, mens de vippede nanopartiklerne i forskellige vinkler. Holdet rekonstruerede et tredimensionelt kort fra de individuelle elementære kort, afslører pletter af nikkel på en baggrund af lithium-manganoxid.

Den tredimensionelle fordeling af mangan, oxygen- og lithiumatomer langs overfladen og inde i partiklen var relativt jævn. Nikkel, imidlertid, parkerede sig selv på små områder på overfladen. Internt, nikkelen klumpede sig på kanterne af mindre områder kaldet korn.

For at undersøge, hvorfor nikkel samler sig på visse overflader, holdet beregnede, hvor let nikkel og lithium rejste gennem kanalerne. Nikkel bevægede sig lettere op og ned gennem kanalerne end lithium. Mens nikkel normalt findes i manganoxidkornene, nogle gange glider det ud i kanalerne. Og når det gør, denne analyse viste, at det flyder meget lettere gennem kanalerne til slutningen af ​​feltet, hvor det akkumuleres og danner en blok.

Forskerne brugte en række forskellige metoder til at fremstille nanopartiklerne. Wang sagde, at jo længere nanopartiklerne forblev ved høj temperatur under fremstillingen, jo mere nikkel adskilt og jo dårligere blev partiklerne udført i opladnings- og afladningstests. De planlægger at lave mere nøje kontrollerede eksperimenter for at afgøre, om en bestemt fremstillingsmetode giver en bedre elektrode.

Dette arbejde blev støttet af PNNL's Chemical Imaging Initiative.