Første kig på nanoskala på, hvordan lithiumioner navigerer i en molekylær labyrint for at nå batterielektroden

Lithium-ion-batterierne, der driver bærbare computere, elbiler og så mange andre moderne gadgets fungerer efter en simpel plan:Lithium-ioner pendler frem og tilbage mellem to elektroder, indsætter sig selv i en af ​​elektroderne, mens batteriet oplades, og bevæger sig over til den anden, mens batteriet aflades. Hastigheden og lette deres rejse gennem batteriets flydende elektrolyt er med til at bestemme, hvor hurtigt batteriet kan oplades.

Nu har videnskabsmænd taget det første nærmere kig på, hvad der sker inden for få nanometer fra elektroden, hvor de normalt frit bevægende elektrolytmolekyler organiserer sig i lag, der står direkte i lithium-ionernes veje.

De observerede direkte denne lagdeling for første gang i røntgeneksperimenter ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. Resultaterne tyder på, at ændring af koncentrationen af ​​lithiumioner i elektrolytten kan ændre arrangementet af de molekylære lag og gøre det lettere for ionerne at komme ind og ud af elektroden.

"Den proces, hvor ionerne finder vej ind i elektroden, er meget vigtig i forhold til, hvor hurtigt du kan oplade batteriet, og hvor længe batteriet holder, " sagde Michael Toney, en fremtrædende stabsforsker ved SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og medleder af undersøgelsen. "Forståelse af detaljerne i nanoskalaen af, hvordan dette virker, kunne foreslå måder at øge opladningshastigheden og effektiviteten på."

Rapporten er godkendt til offentliggørelse i Energi- og miljøvidenskab , og et forhåndseksemplar lægges på tidsskriftets hjemmeside.

Undersøgelse af en kommerciel elektrolyt

I lithium-ion-batterier, elektrolytten består af lithium og andre ioner i et opløsningsmiddel, med opløsningsmiddelmolekylerne, der bevæger sig rundt, som de ville i enhver anden væske. Men baseret på teori og tidligere computersimuleringer, videnskabsmænd havde en stærk mistanke om, at der skete noget andet i det lille volumen af ​​elektrolytten, der er lige ved siden af ​​elektroden. Her, de troede, tilstedeværelsen af ​​elektrodens hårde overflade ville få opløsningsmiddelmolekylerne til at opstille sig og danne ordnede lag. Imidlertid, at bekræfte dette gennem eksperimenter viste sig vanskeligt.

For disse seneste eksperimenter, Toneys team brugte et metaloxidmateriale til at repræsentere elektroden, badet i en elektrolyt, der typisk findes i kommercielle lithium-ion-batterier.

Ved at fokusere en højglans røntgenstråle fra SSRL på overfladen af ​​elektroden og analysere røntgenstrålerne, der hoppede tilbage gennem elektrolytten, som lys, der reflekteres fra et spejl, forskerne var i stand til at bestemme strukturerne og positionerne af individuelle opløsningsmiddelmolekyler og lithiumioner, der var inden for et par milliardtedele af en meter fra elektrodeoverfladen, sagde Hans-Georg Steinrück, en postdoc-forsker i Toneys gruppe og medleder af eksperimenterne. Molekylær dynamik-simuleringer supplerede og stemte overens med de eksperimentelle resultater.

"Vi kan se positionerne af ioner og opløsningsmiddelmolekyler nær elektroden med ångstrøm opløsning, og se også, hvordan de er orienteret på overfladen af ​​elektroden, " sagde Steinrück. "De er arrangeret i veldefinerede lag ved grænsen, og det første lag ligger fladt, parallelt med overfladen af ​​elektroden; så bliver de mere uordnede, mere typisk for en væske, når du bevæger dig ud fra overfladen." Disse ordnede lag gør det sværere for lithium-ionerne at bevæge sig hurtigt gennem lagene og ind i elektroden.

Skiftende rækker af molekyler

Imidlertid, efterhånden som koncentrationen af ​​lithiumioner i elektrolytten steg, arrangementet af lagene ændrede sig; det blev lidt mere ordentligt, og lagene var længere fra hinanden, sagde Steinrück. Dette førte forskerne til en konklusion, der virker næsten det modsatte af, hvad du ville forvente.

"Vores hypotese er, at hvis du ønsker at forbedre lithium-ion-transporten, du vil reducere mængden af ​​ordre i lagene, og det betyder at mindske lithiumionkoncentrationen i stedet for at øge den, " han sagde.

Steinrück sagde, at holdet vil udforske denne forskningsvej yderligere, tilføjer, at den grundlæggende viden opnået med denne teknik også kan anvendes til undersøgelser af andre typer af næste generations batterier og energilagringssystemer.