Vend den defekt på hovedet:To grænser i lithium-ion-batterier

De fleste mennesker ser defekter som fejl. Et par Michigan Technological University forskere, imidlertid, se dem som muligheder. To grænser - som er små, symmetriske defekter i materialer-kan give mulighed for at forbedre lithium-ion-batterier. De to grænsefejl fungerer som energimotorveje og kan hjælpe med at få bedre ydeevne ud af batterierne.

Dette fund, udgivet i Nano bogstaver tidligere i år, vender en tidligere holdt forestilling om materialefejl på hovedet. Reza Shahbazian - Yassar var med til at lede undersøgelsen og har en fælles udnævnelse ved Michigan Tech som lektor Richard &Elizabeth Henes i nanoteknologi og en adjungeret lektor i materialevidenskab og teknik. Anmin Nie, en senior postdoktor i sin gruppe, gennemført undersøgelsen.

Nie siger, at materialefejl, herunder tvillingegrænser, er naturligt forekommende, og størstedelen af ​​tidligere forskning har fokuseret på at fjerne dem fra materialer.

"Vi ser på nanostrukturen af ​​de batterimaterialer, der er derude, "forklarer han." Vi har bemærket nogle fejl, såsom tvillingegrænser, der findes i disse materialer kan være gode kanaler, der hjælper os med at transportere litiumioner. "

At bevægelse af ioner er nøglen til at gøre det bedre, stærkere batterier.

Sådan fungerer litiumionbatterier

Batterier driver de fleste af vores gadgets. Shahbazian-Yassar siger, "Fokus i løbet af de sidste par år har været på genopladelige batterier-nærmere bestemt lithium-ion-batteriet."

Det er fordi lithium-ion-batterier er lette, pak et stort slag energitæthed, og deres effektivitet fortsætter med at stige. Som alle grundlæggende batterier, dem, der kører på litiumioner, er afhængige af at skifte ioner fra et sted til et andet. Teknisk set, der er mellem anoden og katoden, og en elektrisk strøm lokker ioner til at blande mellem dem. Et lavt batteri betyder, at der sker mindre udveksling mellem anoden og katoden. Dobbeltgrænser kan hjælpe med at hæmme den udveksling langs eller måske forlænge den, forhåbentlig uden at miste batterilevetid.

To grænser i tinoxider

Twin grænser er i grunden spejlbilleder, steder i et materiale, hvor den ene side af atomarrangementer afspejler en anden. De resulterer ofte under fremstilling af et materiale, som flytter atomerne fra sin plads en smidge.

"Uden et detaljeret overblik over atomarrangementer, man kunne tro, at strukturen af ​​elektrodemateriale er perfekt, men når du er opmærksom på atomniveau, du vil bemærke, at disse atomer alle er symmetriske med et plan, "Nie siger, forklarer, at symmetrien forårsager problemer, fordi den skaber svage pletter.

På samme tid, den symmetri er det, der giver ioner en rute til at rejse ad. Shahbazian-Yassar og hans team modtog et tilskud fra Division of Materials Research ved National Science Foundation sidste efterår for at undersøge dette og har nu vist, at en tvillingegrænse fungerer som en motorvej for lithiumiontransport.

"Normalt er det ledige ledige rum i krystallen, hvad ioner bruger til at bevæge sig ind eller ud af elektroden, "Shahbazian-Yassar siger, forklarer, at rummet er som en overfyldt by med smalle gader, og ionerne ligner de bevægelige biler. "Hvis der sker en ulykke, vejanlæg, eller bare trafik, biler kan ikke let passere gennem gaderne - lignende fænomen sker i batterier.

Litiumioner har brug for brede og åbne veje for at køre ind og ud af batterielektroderne. Enhver hindring for ioner i bevægelse reducerer mængden af ​​energi eller strøm, der udvindes fra et batteri.

Næste trin i energilagring

Forskergruppen undersøgte to grænser i tinoxider, men Shahbazian-Yassar siger, at den er anvendelig i mange batterimaterialer. Det næste trin er at finde ud af, hvordan man optimerer disse defekter for at afbalancere den mekaniske integritet med mængden af ​​tvillingestrukturer. At finde den balance vil være fokus for forskernes næste trin, og dette nye fund om tvillingegrænser danner grundlag for forbedring af lithium-ion-batterier.