Batterier:Forskere ser, hvordan og hvor forstyrrende strukturer dannes og forårsager spændingsfading

(Phys.org)—Starter som nogle få atomer lange, torne, der dannes på elektrodens overflade i et specialiseret lithiumbatteri, får batteriet til gradvist at falme, ifølge forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og Argonne National Laboratory. Arbejder med kraftfulde billedteknologier i DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), holdet fastslog, at en slags torn med den krystallografiske spinelstruktur vokser ud af elektrodematerialet og til sidst fører til den fuldstændige omdannelse af hele elektrodematerialet til spinelstrukturen. Desuden, vækst af denne spinelstruktur frigiver lithiumoxidmolekyler, forårsager revner og huller. Den beskadigede elektrode falmer derved, frigiver mindre energi med hver opladning/afladningscyklus.

"Ændringerne i strukturen er ret subtile efter hver cyklisk opladning/afladning af batteriet, " sagde Dr. Chongmin Wang, en PNNL-forsker, der ledede undersøgelsen. "Billeddannelse på atomniveau giver mulighed for at få et grundlæggende billede af, hvordan denne type subtile forandringer udvikler sig."

At øge vores nations uafhængighed af fossile brændstoffer til vores transportflåde kræver energilagring. En lithium-rig lagdelt komposit kan øge batteriernes energitæthed med mere end 50 procent. Imidlertid, batteriet falmer. Ved gentagen brug, spændingen og mængden af ​​energi, der reversibelt kan lagres og frigives, falder gradvist. Årsagen er en ændring eller transformation i det sammensatte, men hvordan og hvor transformationerne eller faseovergangene sker, var under debat. Ved at tage og analysere atomopløsningsbilleder af batteriets elektrode før og efter brug, holdet besvarede spørgsmålene.

"Disse resultater og opfølgende undersøgelser er afgørende for ansøgninger, herunder energilagring og elektriske køretøjer, " sagde Dr. Jun Liu, en nøglespiller i Joint Center for Energy Storage Research og en PNNL-materialeforsker om undersøgelsen.

Holdet begyndte med lagdelte lithiumbatterielektroder, hvor lagene kun er et enkelt atom tykke. Materialet blev syntetiseret ved Argonne, hvor det blev opfundet for flere år siden. Forskerholdet brugte et nyt energidispersivt spektrometer (EDS) og et kraftigt scanningstransmissionselektronmikroskop til at opnå detaljeret information om kemisk sammensætning og atomstruktur på elektrodematerialerne. FEI Company, i Hillsboro, Oregon, leverede EDS. Virksomheden ledte efter fremragende eksempler til at vise styrken af ​​deres instrumenter. Ved hjælp af EDS-spektrometeret, holdet identificerede kemisk inhomogenitet og dens korrelation med de faseændringer, der skete i materialet.

Holdet brugte et nyt elektronmikroskop placeret i EMSL til at opnå billeder i atomopløsning. "Det højopløselige arbejde er banebrydende billedforskning, " sagde Dr. Nigel Browning, Chefforsker i mikroskopi for Chemical Imaging Initiative ved PNNL og forsker i denne undersøgelse. "Det er en fantastisk anvendelse af atomopløsningsmikroskopiteknikker, og det bekræfter, at spineldannelse kan forklare oprindelsen af ​​spændingsfading ved at bestemme den nøjagtige placering af spinellen, og hvordan hele strukturen fragmenterer, når spinellerne dannes."

Mange af folkene på dette projekt arbejder på at finde nye måder at syntetisere og stabilisere materialerne i det lagdelte lithiumbatteri. "Vi arbejder som et team for at tage det til næste niveau - in situ billeder. Vi ønsker at se ændringerne på atomniveau, efterhånden som de opstår, " sagde Wang.