De meeste mensen zien gebreken als gebreken. Een paar onderzoekers van de Michigan Technological University, echter, zie ze als kansen. Tweelinggrenzen - die klein zijn, symmetrische defecten in materialen - kunnen een kans bieden om lithium-ionbatterijen te verbeteren. De dubbele grensdefecten fungeren als energiesnelwegen en kunnen helpen om betere prestaties uit de batterijen te halen.

Deze vonst, gepubliceerd in Nano-letters eerder dit jaar, zet een eerder gekoesterde notie van materiële gebreken op zijn kop. Reza Shahbazian-Yassar hielp bij het leiden van de studie en heeft een gezamenlijke aanstelling bij Michigan Tech als de Richard &Elizabeth Henes universitair hoofddocent nanotechnologie en een adjunct universitair hoofddocent materiaalwetenschap en techniek. Anmin Nie, een senior postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, de studie uitgevoerd.

Nie zegt dat materiële gebreken, inclusief dubbele grenzen, komen van nature voor en het merendeel van het eerdere onderzoek was gericht op het verwijderen van deze uit materialen.

"We kijken naar de nanostructuur van de batterijmaterialen die er zijn, " legt hij uit. "We hebben enkele gebreken opgemerkt, zoals dubbele grenzen, die in deze materialen voorkomen, kunnen goede kanalen zijn die ons zullen helpen lithiumionen te transporteren."

Die beweging van ionen is de sleutel tot het maken van betere, sterkere batterijen.

Hoe lithium-ionbatterijen werken

Batterijen voeden de meeste van onze gadgets. Shahbazian-Yassar zegt:"De afgelopen jaren lag de focus op oplaadbare batterijen, met name de lithium-ionbatterij."

Dat komt omdat lithium-ionbatterijen licht van gewicht zijn, pak een enorme hoeveelheid energiedichtheid, en hun efficiëntie blijft stijgen. Zoals alle basisbatterijen, degenen die op lithiumionen werken, zijn afhankelijk van het pendelen van ionen van de ene plaats naar de andere. Technisch sprekend, dat is tussen de anode en kathode, en een elektrische stroom zorgt ervoor dat ionen ertussen schuiven. Een bijna lege batterij betekent dat er minder uitwisseling plaatsvindt tussen de anode en de kathode. Tweelinggrenzen kunnen helpen die uitwisseling voort te stuwen of misschien uit te breiden, hopelijk zonder de levensduur van de batterij te verliezen.

Tweelinggrenzen in Tinoxiden

Tweelinggrenzen zijn in feite spiegelbeelden, plaatsen in een materiaal waar de ene kant van atomaire rangschikkingen een andere weerspiegelt. Ze ontstaan ​​vaak tijdens het maken van een materiaal, die de atomen een klein beetje van hun plaats verschuift.

"Zonder een gedetailleerd overzicht van de atomaire arrangementen, men zou kunnen denken dat de structuur van elektrodemateriaal perfect is, maar als je dan op atomair niveau let, je zult merken dat deze atomen allemaal symmetrisch zijn met één vlak, "Nie zegt, uitleggen dat de symmetrie problemen veroorzaakt omdat het zwakke plekken creëert.

Tegelijkertijd, die symmetrie is wat een route biedt voor ionen om langs te reizen. Shahbazian-Yassar en zijn team hebben afgelopen herfst een subsidie ​​ontvangen van de afdeling Materiaalonderzoek van de National Science Foundation om dit te onderzoeken en hebben nu aangetoond dat een dubbele grens fungeert als een snelweg voor lithiumiontransport.

"Meestal is de beschikbare vrije ruimte in het kristal wat ionen gebruiken om in of uit de elektrode te bewegen, " Shahbazian-Yassar zegt, uitleggend dat de ruimte is als een drukke stad met smalle straatjes en de ionen lijken op de rijdende auto's. "Als er een ongeluk gebeurt, wegenbouw, of gewoon verkeer, auto's kunnen niet gemakkelijk door de straten - een soortgelijk fenomeen doet zich voor bij batterijen.

Lithium-ionen hebben brede en open wegen nodig om in en uit de batterij-elektroden te kunnen pendelen. Elke obstructie van de bewegende ionen zal de hoeveelheid energie of vermogen die uit een batterij wordt gehaald, verminderen.

Volgende stappen in energieopslag

Het onderzoeksteam onderzocht tweelinggrenzen in tinoxiden, maar Shahbazian-Yassar zegt dat het toepasbaar is in veel batterijmaterialen. De volgende stap is uitzoeken hoe deze defecten kunnen worden geoptimaliseerd om de mechanische integriteit in evenwicht te brengen met het aantal dubbele structuren. Het vinden van die balans zal de focus zijn van de volgende stappen van de onderzoekers, en deze nieuwe bevinding over dubbele grenzen legt de basis voor het verbeteren van lithium-ionbatterijen.