Aflytning på lithiumioner

(Phys.org) —Lithiumionbatterier er et energisk hjerte i næsten alle teknologiske ting, fra mobiltelefoner til tablets til elbiler. Det er fordi de er en gennemprøvet teknologi, lys, langvarig og kraftfuld. Men de er ikke perfekte.

"Du får muligvis syv eller otte timer ud af din iPhone på en opladning, måske en dag, "siger Reza Shahbazian-Yassar, lektor i maskinteknik ved Michigan Technological University. "Dette er ikke nok for mange af os. En fuldt elektrisk bil, ligesom Nissan Leaf, kan køre op til 100 miles på en enkelt opladning. For at appellere til et massemarked, det burde være omkring 300 miles. Vi ønsker at øge kraften i disse systemer. "

For at vride mere strøm ud af lithium -ion -batterier, forskere eksperimenterer med forskellige materialer og designs. Imidlertid, den vigtige handling i et batteri sker på atomniveau, og det har praktisk talt været umuligt at finde ud af, hvad der sker i en sådan skala. Nu, Yassar har udviklet en enhed, der gør det muligt for forskere at aflytte individuelle lithiumioner - og potentielt udvikle den næste generation af batterier.

Batterier er ret simple. De har tre hovedkomponenter:en anode, en katode og elektrolyt mellem de to. I litiumbatterier, litiumioner bevæger sig frem og tilbage mellem anoden og katoden, når batteriet aflades og oplades igen. Anoderne på lithium-ion-batterier er normalt lavet af grafit, men forskere tester andre materialer for at se, om de kan holde længere.

"Så snart lithium bevæger sig ind i en elektrode, det understreger materialet, til sidst resulterer i fiasko, "sagde Yassar." Derfor kan mange af disse materialer muligvis indeholde masser af lithium, men de ender med at bryde hurtigt sammen.

"Hvis vi var i stand til at observere disse ændringer i værtselektroden, især i den meget tidlige fase af opladningen, vi kunne finde på strategier til at løse det problem. "

Ti år siden, at observere lette elementer som lithium eller hydrogen på atomniveau ville have været udelukket. Nu, imidlertid, det er muligt at se lysatomer med et aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop (AC-STEM). Yassars team var i stand til at bruge en høflighed fra University of Illinois i Chicago, hvor han er gæstelektor.

For at bestemme, hvordan værtselektroden ændres, når lithiumioner kommer ind i den, holdet byggede et nanobatteri inden for AC-STEM-mikroskopet ved hjælp af et lovende nyt elektrodemateriale, tinoxid, eller SnO2. Derefter, de så det oplade.

"Vi ønskede at overvåge ændringerne i tinoxidet helt ved grænsen til lithium-ion-bevægelse inden for SnO2-elektroden, og det gjorde vi, "Sagde Yassar." Vi var i stand til at observere, hvordan de enkelte litiumioner kommer ind i elektroden. "

Litiumionerne bevægede sig langs bestemte kanaler, da de flød ind i tinoxidkrystallerne i stedet for tilfældigt at gå ind i værtsatomer. Baseret på disse data, forskerne var i stand til at beregne den belastning, ionerne lagde på elektroderne.

Opdagelsen har fået forespørgsler fra industrier og nationale laboratorier, der er interesseret i at bruge hans atomopløsningsevne i deres eget batteriudviklingsarbejde.

"Det er meget spændende, "Sagde Yassar." Der er så mange muligheder for elektroder, og nu har vi dette nye værktøj, der kan fortælle os præcis, hvad der sker med dem. Før, vi kunne ikke se, hvad der foregik; vi gættede bare. "