Defekter i nanoskala kan øge energilagringsmaterialer

Nogle ufuldkommenheder giver stort udbytte.

Et Cornell-ledet samarbejde brugte røntgen-nanobilleddannelse til at få et hidtil uset syn på solid-state elektrolytter, afslører tidligere uopdagede krystaldefekter og dislokationer, der nu kan udnyttes til at skabe overlegne energilagringsmaterialer.

Gruppens papir, "Røntgen nanobilleddannelse af krystaldefekter i enkelte korn af faststofelektrolyt Li ₇ -3 _x Al _x La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , " udgivet 29. april i Nano bogstaver , en publikation fra American Chemical Society. Avisens hovedforfatter er doktorand Yifei Sun.

I et halvt århundrede, materialeforskere har undersøgt virkningerne af små defekter i metaller. Udviklingen af ​​billedværktøjer har nu skabt muligheder for at udforske lignende fænomener i andre materialer, især dem, der bruges til energilagring.

En gruppe ledet af Andrej Singer, adjunkt og David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow i Institut for Materialevidenskab og Engineering, bruger synkrotronstråling til at afdække atomare skala defekter i batterimaterialer, som konventionelle tilgange, såsom elektronmikroskopi, har undladt at finde.

Singer Group er især interesseret i faststofelektrolytter, fordi de potentielt kan bruges til at erstatte væske- og polymerelektrolytter i lithium-ion-batterier. En af de største ulemper ved flydende elektrolytter er, at de er modtagelige for dannelsen af ​​spidse dendritter mellem anoden og katoden. som kortslutter batteriet eller, værre endnu, få det til at eksplodere.

Faststofelektrolytter har den fordel, at de ikke er brandfarlige, men de giver deres egne udfordringer. De leder ikke lithiumioner så stærkt eller hurtigt som væsker, og at opretholde kontakt mellem anoden og katoden kan være vanskelig. Faststofelektrolytter skal også være ekstremt tynde; Ellers, batteriet ville være for omfangsrigt, og enhver gevinst i kapacitet ville blive ophævet.

Den ene ting, der kunne gøre faststof elektrolytter levedygtige? Små defekter, sagde Singer.

"Disse defekter kan lette ionisk diffusion, så de kan tillade ionerne at gå hurtigere. Det er noget, der er kendt for at ske i metaller, " sagde han. "Også ligesom i metaller, at have defekter er bedre i forhold til at forhindre brud. Så de kan gøre materialet mindre tilbøjeligt til at gå i stykker."

Singers gruppe samarbejdede med Nikolaos Bouklas, adjunkt ved Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering og en medforfatter af papiret, som hjalp dem med at forstå, hvordan defekter og dislokationer kan påvirke de mekaniske egenskaber af faststofelektrolytter.

Cornell-teamet samarbejdede derefter med forskere ved Virginia Tech - ledet af Feng Lin, avisens co-senior forfatter - der syntetiserede prøven:en granatkrystalstruktur, lithium lanthan zirconium oxid (LLZO), med forskellige koncentrationer af aluminium tilsat i en proces kaldet doping.

Ved at bruge den avancerede fotonkilde ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory, de brugte en teknik kaldet Bragg Coherent Diffractive Imaging, hvor en ren, kolonneformet røntgenstråle er fokuseret - meget som en laserpointer - på et enkelt mikron-størrelse korn af LLZO. Elektrolytter består af millioner af disse korn. Strålen skabte et 3D-billede, der i sidste ende afslørede materialets morfologi og atomare forskydninger.

"Disse elektrolytter blev antaget at være perfekte krystaller, " sagde Sun. "Men det, vi finder, er defekter som forskydninger og korngrænser, som ikke er blevet rapporteret før. Uden vores 3D-billedbehandling, som er ekstremt følsom over for defekter, det ville sandsynligvis være umuligt at se disse dislokationer, fordi dislokationstætheden er så lav."

Forskerne planlægger nu at udføre en undersøgelse, der måler, hvordan defekterne påvirker ydeevnen af ​​solid-state elektrolytter i et faktisk batteri.

"Nu hvor vi ved præcis, hvad vi leder efter, vi ønsker at finde disse defekter og se på dem, mens vi betjener batteriet, " sagde Singer. "Vi er stadig langt væk fra det, men vi kan være i begyndelsen af ​​en ny udvikling, hvor vi kan designe disse defekter med vilje for at lave bedre energilagringsmaterialer."