Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago en het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee ze de locatie van chemische reacties in lithium-ionbatterijen in drie dimensies op nanoschaalniveau kunnen lokaliseren. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Het kennen van de precieze locaties van chemische reacties in individuele nanodeeltjes die aan die reacties deelnemen, helpt ons te identificeren hoe een batterij werkt en te ontdekken hoe de batterij kan worden geoptimaliseerd om hem nog beter te laten werken, " zei Jordi Cabana, universitair hoofddocent scheikunde bij UIC en co-corresponderende auteur op het papier.

Als een batterij oplaadt en ontlaadt, de elektroden - de materialen waar de reacties die energie produceren plaatsvinden - worden afwisselend geoxideerd en gereduceerd. De chemische routes waarlangs deze reacties plaatsvinden, helpen bepalen hoe snel een batterij leeg raakt.

Instrumenten die beschikbaar zijn om deze reacties te bestuderen, kunnen alleen informatie geven over de gemiddelde samenstelling van elektroden op een bepaald moment in de tijd. Bijvoorbeeld, ze kunnen een onderzoeker laten weten welk percentage van de elektrode permanent is geoxideerd. Maar deze tools kunnen geen informatie geven over de locatie van geoxideerde delen in de elektrode. Door deze beperkingen, het is niet mogelijk om te zeggen of reacties beperkt zijn tot een bepaald gebied van de elektrode, zoals het oppervlak van het materiaal, of als de reacties gelijkmatig over de elektrode plaatsvinden.

"In staat zijn om te zien of er een neiging is om een ​​reactie te laten plaatsvinden in een specifiek deel van de elektrode, en beter nog, de locatie van reacties binnen individuele nanodeeltjes in de elektrode, zou buitengewoon nuttig zijn, omdat je dan zou kunnen begrijpen hoe die gelokaliseerde reacties correleren met het gedrag van de batterij, zoals de oplaadtijd of het aantal oplaadcycli dat het efficiënt kan doorlopen, ' zei Cabana.

De nieuwe techniek, genaamd X-ray ptychografische tomografie, kwam tot stand door een samenwerking tussen chemici van UIC en wetenschappers van de Advanced Light Source, in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië. Advanced Light Source-wetenschappers ontwikkelden de instrumentatie- en meetalgoritmen, die werden gebruikt om te helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over batterijmaterialen en gedrag die door het UIC-team werden geïdentificeerd.

Samen, de twee teams gebruikten de tomografische techniek om tientallen nanodeeltjes lithium-ijzerfosfaat te bekijken die waren teruggewonnen uit een batterij-elektrode die gedeeltelijk was opgeladen. De onderzoekers gebruikten een coherente, bundel röntgenstralen op nanoschaal gegenereerd door de high-flux synchrotron-versneller bij de geavanceerde lichtbron om elk nanodeeltje te ondervragen. Het patroon van absorptie van de bundel door het materiaal gaf de onderzoekers informatie over de oxidatietoestand van ijzer in de nanodeeltjes in de röntgenbundel. Omdat ze de straal slechts een paar nanometer verder konden verplaatsen en hun ondervraging opnieuw konden uitvoeren, het team kon chemische kaarten van de nanodeeltjes reconstrueren met een resolutie van ongeveer 11 nanometer. Door het materiaal in de ruimte te roteren, ze zouden een driedimensionale tomografische reconstructie kunnen maken van de oxidatietoestanden van elk nanodeeltje. Met andere woorden, ze konden zien in hoeverre een individueel nanodeeltje lithiumijzerfosfaat had gereageerd.

"Met onze nieuwe techniek, we konden niet alleen zien dat individuele nanodeeltjes op een bepaald moment verschillende mate van reactie vertoonden, maar ook hoe de reactie zich een weg baant door het inwendige van elk nanodeeltje, ' zei Cabana.