Een experimentele techniek ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers is gebruikt om de chemische en structurele veranderingen in een elektrode te volgen wanneer een batterij ontlaadt. De op röntgenstraling gebaseerde techniek moet helpen om de prestaties van materialen in batterijen van de volgende generatie te verbeteren.

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in ons dagelijks leven, bijvoorbeeld in mobiele apparaten en elektrische voertuigen. Ze slaan energie op en geven deze weer af door lithiumionen tussen twee elektroden te pendelen (zie afbeelding). Maar de hoeveelheid energie die deze elektroden kunnen opslaan, en de snelheid waarmee de batterijen worden opgeladen of ontladen, is nog relatief beperkt. Bovendien, herhaald gebruik kan ervoor zorgen dat de elektroden uitzetten en samentrekken, hun prestaties in de loop van de tijd verslechteren.

Elektroden die titaniumdioxide-nanobuisjes bevatten, georganiseerd in een vorm die bekend staat als de bronzen fase, kunnen helpen om deze beperkingen te overwinnen, omdat het materiaal een hoge theoretische ladingscapaciteit heeft en het volume tijdens gebruik weinig verandert. Echter, het laadmechanisme wordt niet volledig begrepen, vanwege de beperkingen van analytische hulpmiddelen die het laadproces aan het oppervlak direct kunnen onderzoeken.

Yonghua Du van het A*STAR Instituut voor Chemische en Technische Wetenschappen, en de groep van Xiaodong Chen aan de Nanyang Technological University hebben dit probleem nu aangepakt door de Singapore Synchrotron Light Source te gebruiken om tijdens bedrijf röntgenabsorptiespectroscopiemetingen uit te voeren op de titaniumdioxide-elektroden.

Ze ontdekten dat de gemiddelde lading van de titaniumatomen van het materiaal, bekend als hun valentiestaat, daalde gestaag van ongeveer vier naar drie terwijl het materiaal lithiumionen accumuleerde tijdens de ontlading. De experimenten onthulden ook hoe de kristalstructuur van het materiaal uitbreidde naarmate lithiumionen zich ophoopten in de elektrode. Omdat titaniumatomen in een lage valentiestaat iets groter zijn dan die in een hogere valentiestaat, dit vervormde de kristalstructuur verder. "Tijdens het laden en ontladen treedt een faseovergang op, " legt Du uit.

Er kunnen verschillende mechanismen voor ladingsopslag optreden aan het oppervlak van de elektrode, die de experimenten voor de eerste keer kwantificeerden. Ze toonden aan dat het grootste deel van de opslagcapaciteit van de batterij afhangt van de verandering in de valentietoestand van titanium. Verdere tests toonden aan dat holle nanobuisjes van titaniumdioxide meer lading konden opslaan dan nanodraden van hetzelfde materiaal.

Naarmate de afvoersnelheid toenam, een groter deel van de lithiumionen werd opgeslagen aan het oppervlak van de elektrode, in plaats van diep in zijn structuur. Dit verminderde de verandering in de gemiddelde valentietoestand van titanium, wat uiteindelijk de energiecapaciteit van de elektrode verlaagde.

Deze analyse van hoe de lithium-ionbatterijen werken, zal onderzoekers helpen bij het ontwerpen van elektrode-nanostructuren om de opslag en mobiliteit van lithium-ionen te verbeteren. Du merkt op dat hun röntgenabsorptiespectroscopietechniek ook kan worden toegepast op andere elektrodematerialen.