Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in huiselektronica en worden nu gebruikt om elektrische voertuigen van stroom te voorzien en energie op te slaan voor het elektriciteitsnet. Maar hun beperkte aantal oplaadcycli en de neiging om tijdens hun levensduur in capaciteit te verslechteren, hebben geleid tot veel onderzoek naar het verbeteren van de technologie.

Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy gebruikte geavanceerde technieken in elektronenmicroscopie om te laten zien hoe de verhouding van materialen waaruit een lithium-ionbatterij-elektrode bestaat, de structuur op atomair niveau beïnvloedt. en hoe het oppervlak heel anders is dan de rest van het materiaal. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Energie en milieuwetenschappen .

Weten hoe de interne en oppervlaktestructuur van een batterijmateriaal verandert over een breed scala aan chemische samenstellingen zal toekomstige studies naar kathodetransformaties helpen en zou ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe batterijmaterialen.

"Deze bevinding zou de manier kunnen veranderen waarop we kijken naar fasetransformaties binnen de kathode en het resulterende verlies van capaciteit in deze materiaalklasse, " zei Alpesh Khushalchand Shukla, een wetenschapper bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab, en hoofdauteur van de studie. "Ons werk laat zien dat het uiterst belangrijk is om een ​​nieuw materiaal in zijn oorspronkelijke staat volledig te karakteriseren, ook na het fietsen, om verkeerde interpretaties te voorkomen."

Eerder werk van onderzoekers van de Molecular Foundry, een onderzoekscentrum dat gespecialiseerd is in wetenschap op nanoschaal, onthulde de structuur van kathodematerialen die "overtollig" lithium bevatten, een langlopend debat op te lossen.

Met behulp van een reeks elektronenmicroscopen, zowel in het National Center for Electron Microscopy (NCEM), een Molecular Foundry-faciliteit, en bij SuperSTEM, de nationale onderzoeksfaciliteit voor geavanceerde elektronenmicroscopie in Daresbury, VK, het onderzoeksteam ontdekte dat hoewel de atomen door het hele inwendige van het kathodemateriaal in alle composities in hetzelfde structurele patroon bleven, het verminderen van de hoeveelheid lithium veroorzaakte een toename van willekeur in de positie van bepaalde atomen in de structuur.

Door verschillende samenstellingen van kathodemateriaal te vergelijken met batterijprestaties, de onderzoekers toonden ook aan dat het mogelijk was om de batterijprestaties te optimaliseren in verhouding tot de capaciteit door een lagere verhouding van lithium tot andere metalen te gebruiken.

De meest verrassende bevinding was dat de oppervlaktestructuur van een ongebruikte kathode heel anders is dan het inwendige van de kathode. Een dunne laag materiaal op het oppervlak met een andere structuur, genaamd de "spinel" fase, werd gevonden in al hun experimenten. Verschillende eerdere studies hadden over het hoofd gezien dat deze laag aanwezig zou kunnen zijn op zowel nieuwe als gebruikte kathoden.

Door systematisch de verhouding van lithium tot een overgangsmetaal te variëren, zoals het uitproberen van verschillende hoeveelheden ingrediënten in een nieuw koekjesrecept, het onderzoeksteam was in staat om de relatie tussen het oppervlak en de inwendige structuur te bestuderen en de elektrochemische prestatie van het materiaal te meten. Het team nam foto's van elke batch kathodematerialen vanuit meerdere hoeken en creëerde complete, 3D-weergaven van elke structuur.

"Het verkrijgen van zulke nauwkeurige, informatie op atomair niveau over lengteschalen die relevant zijn voor batterijtechnologieën was een uitdaging, " zei Quentin Ramasse, Directeur van het SuperSTEM-laboratorium. "Dit is een perfect voorbeeld van waarom de meerdere beeldvormings- en spectroscopietechnieken die beschikbaar zijn in elektronenmicroscopie het zo'n onmisbaar en veelzijdig hulpmiddel maken in onderzoek naar hernieuwbare energie."

De onderzoekers gebruikten ook een nieuw ontwikkelde techniek genaamd 4-D scanning transmissie-elektronenmicroscopie (4-D STEM). Bij transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), afbeeldingen worden gevormd nadat elektronen door een dun monster zijn gegaan. Bij conventionele scanning transmissie-elektrodemicroscopie (STEM), de elektronenbundel wordt gefocusseerd tot op een zeer kleine vlek (zo klein als 0,5 nanometer, of miljardsten van een meter, in diameter) en dan wordt die plek heen en weer gescand over het monster als een maaier op een gazon.

De detector in conventionele STEM telt eenvoudig hoeveel elektronen er in elke pixel zijn verstrooid (of niet). Echter, in 4D-STEM, de onderzoekers gebruiken een hogesnelheidselektronendetector om vast te leggen waar elk elektron zich verspreidt, van elk gescand punt. Hiermee kunnen onderzoekers de lokale structuur van hun monster met hoge resolutie over een groot gezichtsveld meten.

"De introductie van hogesnelheidselektronencamera's stelt ons in staat om informatie op atomaire schaal te extraheren uit zeer grote monsterafmetingen, " zei Colin Ophus, een onderzoeker bij NCEM. "4D-STEM-experimenten betekenen dat we niet langer een afweging hoeven te maken tussen de kleinste kenmerken die we kunnen oplossen en het gezichtsveld dat we waarnemen - we kunnen de atomaire structuur van het hele deeltje in één keer analyseren."