Kompakte batterier forstærket af spontane sølvmatrix-formationer

I et lovende lithium-baseret batteri, dannelsen af ​​en stærkt ledende sølvmatrix transformerer et materiale, der ellers er plaget af lav ledningsevne. For at optimere disse multimetalliske batterier - og forbedre strømningen af ​​elektricitet - havde forskerne brug for en måde at se, hvor, hvornår, og hvordan disse sølv, "broer" i nanoskala opstår.

Nu, forskere fra det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory og Stony Brook University har brugt røntgenstråler til at kortlægge denne skiftende atomare arkitektur og afsløret dens forbindelse til batteriets afladningshastighed. Undersøgelsen - offentliggjort online 8. januar, 2015, i journalen Videnskab — viser, at en langsom afladningshastighed tidligt i batteriets levetid skaber et mere ensartet og ekspansivt ledende netværk, foreslår nye designtilgange og optimeringsteknikker.

"Bevæbnet med denne indsigt i batterikatodeafladningsprocesser, vi kan målrette mod nye materialer designet til at løse kritiske batteriproblemer forbundet med strøm og effektivitet, " sagde studiemedforfatter Esther Takeuchi, en SUNY Distinguished Professor ved Stony Brook University og Chief Scientist i Brookhaven Labs Basic Energy Sciences Directorate.

Forskerne brugte lyse røntgenstråler ved Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source (NSLS) - en DOE Office of Science brugerfacilitet - til at sondere lithiumbatterier med sølvvanadiumdiphosphat (Ag) ₂ VP ₂ O ₈ ) elektroder. Dette lovende katodemateriale, som kan være nyttige i implanterbart medicinsk udstyr, udviser høj stabilitet, højspænding, og spontan matrixdannelse centralt i forskningen.

"Det eksperimentelle arbejde - især in-situ røntgendiffraktionen i batterier, der er fuldstændig indkapslet i rustfrit stål - skulle vise sig nyttigt for industrien, da det kan trænge ind i prototype- og produktionsniveau-batterier for at spore deres strukturelle udvikling under drift, " sagde Takeuchi.

Ind i matrixen

Når disse engangsbatterier – syntetiseret og samlet af Stony Brook-kandidatstuderende David Bock – aflades, lithium-ioner, der er lagret i anoden, bevæger sig til katoden, fortrænge sølvioner undervejs. Det fortrængte sølv kombineres derefter med frie elektroner og ubrugt katodemateriale for at danne den ledende sølvmetalmatrix, fungerer som en kanal for den ellers hæmmede elektronstrøm.

"For at visualisere katodeprocesserne i batteriet og se sølvnetværket tage form, vi havde brug for et meget præcist system med højintensive røntgenstråler, der kunne trænge igennem et stålbatterihus, " sagde studie medforfatter og Stony Brook University Research Associate Professor Amy Marschilok. "Så vi henvendte os til NSLS."

Energidispersiv røntgendiffraktion (EDXRD) ved NSLS leverede disse realtids-in situ-visualiseringsdata. I EDXRD, intense røntgenstråler passerede gennem prøven, taber energi, da batteristrukturen bøjede bjælkerne. Hvert sæt af detekterede strålevinkler, som time-lapse billeder, afslørede den skiftende kemi som en funktion af batteriafladning.

"Sølvet dannes i partikler, der spænder over mindre end 10 nanometer, og diffraktionsmønstrene kan være både tætte og svage, " sagde Brookhaven Lab videnskabsmand Zhong Zhong, som udførte den kritiske alignment for røntgenforsøgene på NSLS.

Når dataene er blevet indsamlet, Brookhaven Labs postdoc-forsker og studiemedforfatter Kevin Kirshenbaum ledede dataanalyseindsatsen.

"Denne form for analyse og fortolkning kræver betydelig tid og ekspertise, men resultaterne kan være forbløffende, " sagde Kirshenbaum.

Overraskelser skrevet i sølv

I de fleste batterier, hastigheden af ​​lithium-ion diffusion bestemmer udledningshastigheden, en nøglefaktor i den samlede ydeevne og effektivitet. Det materiale, der er tættest på lithiumanoden, udledes normalt først, da ionerne har en kortere afstand at rejse. I en overraskende opdagelse, forskerne fandt ud af, at materialet længst væk fra anoden og nærmest møntcelleoverfladen aflades først i batteriet.

"Dette skyldes, at det ikke-afladede katodemateriale er en meget dårlig elektrisk leder, så modstanden for lithium-ion-diffusion er mindre end for elektronstrøm, " sagde medforfatter og SUNY Distinguished Teaching Professor Kenneth Takeuchi. "Dette fremhæver et unikt effektivt aspekt af in situ sølvmatrixdannelse:Sølvmatricen dannes primært hvor det er nødvendigt, hvilket er mere effektivt end at bruge ledende additiver."

In situ diffraktionsdataene blev kombineret med to teknikker anvendt efter operationen:røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) og vinkelopløst røntgendiffraktion (XRD).

Spektroskopi kan afsløre nøjagtig kemi, fordi hvert element absorberer og udsender lys unikt, men de røntgenstråler, der bruges til XAS, kan ikke trænge ind i batterihuset. Så efter hvert trin i udledningen, forskerne fjernede katoden og malede den til et pulver for at måle den gennemsnitlige grundstofsammensætning. Chia-Ying Lee fra universitetet i Buffalo forberedte de reducerede katodematerialer til de indledende ex situ-målinger.

"Disse teknikker giver komplementære data:in situ diffraktionen viser, hvor sølvet er dannet i katoden, mens spektroskopien viser mere præcist, hvor meget sølv der blev dannet, " sagde Esther Takeuchi.

Lysere lys og bedre batterier

NSLS afsluttede sin 32-årige eksperimentelle kørsel i september 2014, men dens stærke efterfølger tager allerede data hos Brookhaven Lab. National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) giver stråler 10, 000 gange lysere end NSLS, og in situ energiforskning er en stor del af dens mission. NSLS-II, også en DOE Office of Science brugerfacilitet, vil snart byde velkommen til brugere fra industrien, den akademiske verden, og andre nationale laboratorier.

"Vi arbejder i øjeblikket på andre materialer, der danner ledende netværk og håber at studere dem som fungerende celler, " sagde Takeuchi. "De lysere stråler og større rumlige opløsning af NSLS-II vil være et fantastisk værktøj til at studere andre katoder og skubbe denne teknologi fremad."