Spontan dannelse af hule strukturer i nanoskala kan øge batteriopbevaring

En uventet egenskab ved antimonkrystaller i nanometerskala - den spontane dannelse af hule strukturer - kunne hjælpe med at give den næste generation af lithium-ion-batterier højere energitæthed uden at reducere batteriets levetid. De reversibelt udhulede strukturer kunne tillade lithium-ion-batterier at holde mere energi og derfor give mere strøm mellem opladninger.

Strøm af lithiumioner ind og ud af legeringsbatterianoder har længe været en begrænsende faktor for, hvor meget energi batterier kunne holde ved brug af konventionelle materialer. For meget ionstrøm får anodematerialer til at svulme op og derefter krympe under opladnings-afladningscyklusser, forårsager mekanisk nedbrydning, der forkorter batteriets levetid. For at løse det problem, forskere har tidligere udviklet hule "blomme-skal" nanopartikler, der rummer volumenændringer forårsaget af ionstrøm, men det har været komplekst og dyrt at fremstille dem.

Nu, et forskerhold har opdaget, at partikler, der er tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, spontant danner hule strukturer under ladnings-afladningscyklussen uden at ændre størrelse, tillader mere ionstrøm uden at beskadige anoderne. Forskningen blev rapporteret 1. juni i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

"Forsætligt konstruktion af hule nanomaterialer er blevet udført i et stykke tid nu, og det er en lovende tilgang til at forbedre levetiden og stabiliteten af ​​batterier med høj energitæthed, " sagde Matthew McDowell, assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Problemet har været, at direkte syntetisering af disse hule nanostrukturer i store skalaer, der er nødvendige til kommercielle applikationer, er udfordrende og dyrt. Vores opdagelse kunne tilbyde en lettere, strømlinet proces, der kan føre til forbedret ydeevne på en måde, der ligner de bevidst konstruerede hule strukturer."

Forskerne gjorde deres opdagelse ved hjælp af et højopløsningselektronmikroskop, der gjorde det muligt for dem direkte at visualisere batterireaktioner, når de opstår på nanoskala. "Dette er en vanskelig type eksperiment, men hvis du er tålmodig og gør eksperimenterne rigtigt, du kan lære virkelig vigtige ting om, hvordan materialerne opfører sig i batterier, " sagde McDowell.

Holdet, som omfattede forskere fra ETH Zürich og Oak Ridge National Laboratory, brugte også modellering til at skabe en teoretisk ramme for at forstå, hvorfor nanopartiklerne spontant hules – i stedet for at krympe – under fjernelse af lithium fra batteriet.

Evnen til at danne og reversibelt fylde hule partikler under battericykling forekommer kun i oxidbelagte antimonnanokrystaller, der er mindre end cirka 30 nanometer i diameter. Forskerholdet fandt ud af, at adfærden opstår fra et elastisk naturligt oxidlag, der muliggør initial ekspansion under lithiation - strømning af ioner ind i anoden - men mekanisk forhindrer krympning, da antimon danner hulrum under fjernelse af ioner. en proces kendt som delithiation.

Fundet var lidt af en overraskelse, fordi tidligere arbejde med relaterede materialer var blevet udført på større partikler, som udvider og krymper i stedet for at danne hule strukturer. "Da vi først observerede den karakteristiske udhulingsadfærd, det var meget spændende, og vi vidste straks, at dette kunne have vigtige konsekvenser for batteriets ydeevne, " sagde McDowell.

Antimon er relativt dyrt og bruges i øjeblikket ikke i kommercielle batterielektroder. Men McDowell mener, at den spontane udhulning også kan forekomme i billigere relaterede materialer såsom tin. Næste trin vil omfatte test af andre materialer og kortlægning af en vej til kommerciel opskalering.

"Det ville være interessant at teste andre materialer for at se, om de transformerer sig ifølge en lignende udhulningsmekanisme, " sagde han. "Dette kunne udvide rækken af ​​materialer, der er tilgængelige til brug i batterier. De små testbatterier, vi fremstillede, viste lovende opladnings-afladningsydelse, så vi vil gerne vurdere materialerne i større batterier."

Selvom de kan være dyre, de selvudhulende antimon-nanokrystaller har en anden interessant egenskab:de kan også bruges i natrium-ion- og kalium-ion-batterier, nye systemer, som der skal forskes meget mere i.

"Dette arbejde fremmer vores forståelse af, hvordan denne type materiale udvikler sig inde i batterier, " sagde McDowell. "Denne information vil være afgørende for implementering af materialet eller relaterede materialer i den næste generation af lithium-ion-batterier, som vil kunne lagre mere energi og være lige så holdbare som de batterier, vi har i dag."