Forskere udforsker nikkels had-kærlighedsforhold til batterielektroder

Undersøgelse af batterimaterialer på nanoskala afslører, hvordan nikkel danner en fysisk barriere, der ser ud til at hindre pendlingen af ​​lithium-ioner i batteriets elektrode, reducere hvor hurtigt materialerne oplades og aflades, ifølge forskning ledet af DOE's Pacific Northwest National Laboratory. Nikkel er en væsentlig bestanddel af katodeforbindelser til lithium-ion-batterier. Udgivet i Nano bogstaver , forskningen foreslår også en måde at forbedre materialerne på.

Forskerne, ledet af Dr. 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. "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 et batteris kapacitet. 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, holdet brugte elektronmikroskopi på EMSL og National Center for Electron Microscopy til at se, hvordan forskellige atomer er arrangeret i elektrodematerialerne produceret af forskere fra Argonne National Laboratory. 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.

Med denne undersøgelse, støttet af PNNL's Chemical Imaging Initiative, afsluttet, holdet arbejder nu på mere nøje kontrollerede eksperimenter for at afgøre, om en bestemt fremstillingsmetode giver en bedre elektrode.