Ny røntgenmikroskopiteknik afslører nanoskala hemmeligheder bag genopladelige batterier

Bedre batterier, der oplades hurtigt og holder længe, ​​er en messingring for ingeniører. Men på trods af årtiers forskning og innovation, en grundlæggende forståelse af præcis, hvordan batterier fungerer i den mindste skala, er forblevet uhåndgribelig.

I et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Videnskab , et hold ledet af William Chueh, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford og en fakultetsforsker ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har udtænkt en måde at kigge på som aldrig før i den elektrokemiske reaktion, der driver den mest almindelige genopladelige celle i brug i dag:lithium-ion-batteriet.

Ved at visualisere de grundlæggende byggesten i batterier - små partikler, der typisk måler mindre end 1/100 af et menneskehår i størrelse - har teammedlemmerne belyst en proces, der er langt mere kompleks, end engang troede. Både den metode, de udviklede til at observere batteriet i realtid, og deres forbedrede forståelse af elektrokemien kunne have vidtrækkende konsekvenser for batteridesign, ledelse og videre.

"Det giver os grundlæggende indsigt i, hvordan batterier fungerer, " sagde Jongwoo Lim, en co-lead forfatter af papiret og post-doc forsker ved Stanford Institute for Materials &Energy Sciences ved SLAC. "Tidligere de fleste undersøgelser undersøgte den gennemsnitlige adfærd for hele batteriet. Nu, vi kan se og forstå, hvordan individuelle batteripartikler oplades og aflades."

Hjertet af et batteri

Kernen i ethvert lithium-ion-batteri er en simpel kemisk reaktion, hvor positivt ladede lithium-ioner putter sig i den gitterlignende struktur af en krystalelektrode, mens batteriet aflades, modtage negativt ladede elektroner i processen. Ved at vende reaktionen ved at fjerne elektroner, ionerne frigøres og batteriet oplades.

Disse grundlæggende processer - kendt som lithiation (udladning) og delithiation (ladning) - hæmmes af en elektrokemisk akilleshæl. Sjældent indsætter ionerne ensartet hen over overfladen af ​​partiklerne. I stedet, visse områder optager flere ioner, og andre færre. Disse uoverensstemmelser fører til sidst til mekanisk belastning, da områder af krystalgitteret bliver overbebyrdede med ioner og udvikler små brud, forringer batteriets ydeevne og forkorter batteriets levetid.

"Lithiation og delithiation skal være homogene og ensartede, " sagde Yiyang Li, en ph.d.-kandidat i Chuehs laboratorium og co-lead forfatter af papiret. "I virkeligheden, imidlertid, de er meget uensartede. I vores bedre forståelse af processen, dette papir udstikker en vej mod at undertrykke fænomenet."

For forskere, der håber at forbedre batterierne, ligesom Chueh og hans team, at modvirke disse skadelige kræfter kan føre til batterier, der oplades hurtigere og mere fuldt ud, holder meget længere end nutidens modeller.

Denne undersøgelse visualiserer ladnings-/afladningsreaktionen i realtid - noget forskerne omtaler som operando - i fine detaljer og skalaer. Holdet brugte strålende røntgenstråler og banebrydende mikroskoper på Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source.

"Fænomenet afsløret af denne teknik, Jeg troede aldrig ville blive visualiseret i mit liv. Det er ret skiftende på batteriområdet, sagde Martin Bazant, en professor i kemiteknik og i matematik ved MIT, der ledede det teoretiske aspekt af undersøgelsen.

Chueh og hans team lavede et gennemsigtigt batteri ved hjælp af de samme aktive materialer som dem, der findes i smartphones og elektriske køretøjer. Den er designet og fremstillet i samarbejde med Hummingbird Scientific. Den består af to meget tynde, gennemsigtige siliciumnitrid "vinduer." Batterielektroden, lavet af et enkelt lag lithiumjernfosfat-nanopartikler, sidder på membranen inde i mellemrummet mellem de to vinduer. En salt væske, kendt som en elektrolyt, strømmer i mellemrummet for at levere lithium-ionerne til nanopartiklerne.

"Dette var en meget, meget lille batteri, holder ti milliarder gange mindre opladning end et smartphone-batteri, " sagde Chueh. "Men det giver os et klart overblik over, hvad der sker på nanoskalaen."

Betydelige fremskridt

I deres undersøgelse, forskerne opdagede, at opladningsprocessen (delithiation) er væsentligt mindre ensartet end udladning (lithiation). Spændende nok, forskerne fandt også ud af, at hurtigere opladning forbedrer ensartetheden, hvilket kunne føre til nye og bedre batteridesigns og strømstyringsstrategier.

"Den forbedrede ensartethed sænker den skadelige mekaniske belastning på elektroderne og forbedrer batteriets cyklerbarhed, " sagde Chueh. "Ud over batterier, dette arbejde kunne have vidtrækkende indvirkning på mange andre elektrokemiske materialer." Han pegede på katalysatorer, hukommelsesenheder, og såkaldt smart glas, som går fra gennemskinnelig til gennemsigtig, når den er elektrisk ladet.

Ud over den opnåede videnskabelige viden, det andet væsentlige fremskridt fra undersøgelsen er selve røntgenmikroskopiteknikken, som blev udviklet i samarbejde med Berkeley Lab Advanced Light Source videnskabsmænd Young-sang Yu, David Shapiro, og Tolek Tyliszczak. Mikroskopet, som er anbragt ved den avancerede lyskilde, kunne påvirke energiforskning over hele linjen ved at afsløre aldrig før set dynamik på nanoskala.

"Det, vi har lært her, er ikke kun, hvordan man laver et bedre batteri, men giver os et dybtgående nyt vindue på videnskaben om elektrokemiske reaktioner på nanoskala, " sagde Bazant.