Forskere ved SLACs synkrotron observerer vejrtrækningslag under batteridrift

(Phys.org) — Højteknologiske "smarte vinduer, "som bliver mørkere for at bortfiltrere sollys som reaktion på elektrisk strøm, fungerer meget som batterier. Nu, Røntgenundersøgelser hos SLAC giver et krystalklart billede af, hvordan det farveskiftende materiale i disse vinduer opfører sig i et fungerende batteri - information, der kan være til gavn for næste generation af genopladelige batterier.

Forskere installerede ultratynde plader af smart-vindue-materiale, nikkeloxid, som anoden i et lithium-ion batteri, og brugte SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og udstyr på andre laboratorier til at studere dens skiftende kemi og 3-D funktioner.

"Vi skiftede vores opmærksomhed fra at ændre farven på disse materialer til at bruge dem til at opbevare lithiumioner, men princippet er det samme, " sagde Feng Lin fra Lawrence Berkeley National Laboratory, hovedforfatter af undersøgelsen, udgivet i Naturkommunikation .

Smarte vinduer har flere lag glas, der indlejrer ultratynde film eller nanokrystalbelægninger af materialer, såsom nikkeloxid. Når et lille elektrisk felt påføres, ladningen bevæger sig gennem glasset til det ultratynde materiale, der fungerer som en elektrode, og vinduet bliver fra klart til mørkt.

Tidligere undersøgelser viste, at interaktionen af ​​disse specialiserede tynde materialer med det omgivende glas forårsager strukturelle ændringer, der letter strømmen af ​​elektrisk ladning gennem glasset - en egenskab, der også er gavnlig for batterier.

I dette studie, som bruger nikkeloxid som batterielektrode, forskere kunne for første gang se præcis, hvad der sker, når batteriets lithium-ioner kommer i kontakt med nikkeloxidlaget, og hvordan den resulterende reaktion spreder sig fra flere forskellige punkter.

"Det starter som et frø, " sagde Tsu-Chien Weng, en SSRL-medarbejder, der samarbejdede i forskningen. "Så er der flere forskellige fronter for reaktionen, og til sidst dannes en metallisk ramme."

Ud over, forskere observerede, hvordan overfladen af ​​nikkeloxidmaterialet "ånder", når batteriet oplades og aflades.

"Vi fandt dette lag vokse på overfladen, bygge ud, sagde Dennis Nordlund, en stabsforsker ved SSRL, der deltog i forskningen. "Så forsvinder laget. Det forsvinder næsten helt. Det er som et åndelag. Det er ikke nødvendigvis specifikt for nikkeloxid, og det har vidtrækkende konsekvenser for batterimaterialer."

Denne cykliske opbygning af aflejringer fra elektrolytten, normalt omtalt som elektrode-elektrolyt-grænsefladen, er en integreret del af de fleste batterimaterialer, men har været "lidt af et mysterium, Nordlund sagde, da det generelt er udfordrende at studere under et batteris drift.

I et typisk lithium-ion batteri, ladede lithiumioner migrerer gennem en kemisk opløsning – elektrolytten – ind i anoden, når batteriet oplades, og ind i den modsatte elektrode, kaldet katoden, når batteriet aflades.

Fordi det åndedrætslag, der observeres på nikkeloxidmaterialet, opbygges, men derefter forsvinder, det kunne potentielt begrænse væksten af ​​"dendritter, " trælignende fingre af lithium, der vides at dannes på andre typer batterimaterialer og forringer batteriets ydeevne.

"Hvis du kan cykle og slippe af med laget, så det ikke bygger sig op over tid, ville det være et stort skridt fremad, sagde Nordlund.

Forskere brugte en teknik kendt som røntgenabsorptionsspektroskopi ved SSRL til at sondere nikkeloxidmaterialet i dybder på omkring 5 og 50 nanometer, eller milliardtedele af en meter, under batteriets drift.

"Det viser sig, at disse forskellige sonderingsdybder er perfekt egnede til at studere den elektroniske struktur på overfladen af ​​batterimaterialer, Nordlund sagde, tilføjer, at disse muligheder hos SSRL åbner et vindue for at udforske mange materialer i aktive tilstande. "Vi føler os virkelig unikt positioneret til at løse en masse forskellige problemer inden for energividenskab ved at bruge den samme metode."

De udforskende røntgenværktøjer hos SLAC og andre samarbejdende laboratorier har været nøglen til at forstå egenskaberne af nikkeloxidmaterialet på nanoskala, sagde Ryan Richards, en kemiprofessor ved Colorado School of Mines, der var involveret i undersøgelsen.

"Vi har indsendt en række forslag til at se på forskellige typer materialer – hvordan de danner sig, og hvilke egenskaber deres overflader har, " sagde Richards. Han sagde, at hans igangværende samarbejde med SSRL-personalet "virkelig blomstrer til et godt forhold."

SSRL-resultaterne blev kombineret med andre resultater fra samarbejdspartnere, herunder detaljerede 3-D-billeder og film produceret på Brookhaven National Laboratory. Huolin Xin fra Brookhaven Lab samlede forskerholdet, som også omfattede forskere fra National Renewable Energy Laboratory og Monash University i Australien.