Miljarden smartphonebezitters zijn bekend met het gevreesde "batterij bijna leeg"-symbool op hun apparaten. Terwijl consumenten kreunen, wetenschappers proberen te begrijpen waarom en wanneer lithium-ionbatterijen in telefoons, plug-in elektrische voertuigen, en andere toepassingen worden opgeladen of mislukken.

Een van de beste hulpmiddelen die wetenschappers bij dit onderzoek gebruiken, zijn röntgenstralen van de geavanceerde lichtbronnen van het Department of Energy (DOE). Deze lichtbronnen maken gebruik van elektronenbundels om röntgenstralen te produceren die meer dan een miljard keer sterker zijn dan die van de tandarts. In vergelijking met zwakkere röntgenfoto's die beschikbaar zijn in andere faciliteiten, de lichtbronnen stellen onderzoekers in staat om meer gegevens in meer detail te verzamelen dan ze anders zouden kunnen. Wetenschappers gebruiken deze unieke tools om in realtime te onderzoeken hoe lithium-ionbatterijen werken.

Van het laboratorium naar de weg

In de jaren 1990, bestaande batterijmaterialen waren gewoon niet geschikt voor het vermogen en de prestaties die nodig zijn voor hybride of plug-in elektrische voertuigen. In antwoord, onderzoekers van DOE's Argonne National Laboratory gebruikten de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om voor het eerst interacties binnen batterijen op atomair niveau waar te nemen.

De APS laat wetenschappers ook kijken wat er op atomair niveau gebeurt terwijl batterijen worden opgeladen en ontladen. Met dit begrip, fabrikanten kunnen de prestaties en levensduur van batterijen verbeteren en uiteindelijk goedkopere en efficiëntere elektronica en plug-in elektrische voertuigen maken.

Wetenschappers doen dit door de APS te gebruiken om batterijen in situ te bekijken, of terwijl ze daadwerkelijk aan het werk zijn. Eerder, wetenschappers deden tests op een batterij, heb het uit elkaar gehaald, en onderzocht het onder een microscoop. In tegenstelling tot, door batterijen in situ te bestuderen, kunnen ze zowel atomen in de batterij zien bewegen als de stabiliteit van de moleculaire structuur tijdens het laad- en ontlaadproces meten.

Toen onderzoekers, ondersteund door het Office of Science, de fundamenten in kaart hadden gebracht, ze droegen het werk over aan toegepaste wetenschappers ondersteund door het DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Dat onderzoek leidde tot een nieuwe kathode voor lithium-ionbatterijen die veiliger was, betaalbaarder, en in staat om meer energie op te slaan dan ooit tevoren. (De kathode is de positieve elektrode in een batterijcel, die lithiumionen en elektronen van de negatieve anode accepteert tijdens ontlading of gebruik.) In feite, deze vooruitgang was zo belangrijk dat Chevrolet de kathode gebruikte in het eerste elektrische plug-in-voertuig voor de massamarkt:de Volt.

Röntgenstralen:hard en zacht

Zowel luchthavenbeveiligingsmachines als de APS produceren "harde" röntgenstralen, die hogere energie hebben met kortere golflengten (minder dan 1 nanometer of 1/100, 000ste van de dikte van een stuk papier). Harde röntgenstralen zijn erg goed in het doordringen van materialen en het bekijken van atomaire structuren.

In tegenstelling tot, "zachte" röntgenstralen hebben een lagere energie met langere golflengten (1-10 nanometer). Hoewel hun golflengten te lang zijn om atomaire structuren te onderzoeken, ze bieden "echt voortreffelijke chemische informatie, " volgens David Shapiro, een natuurkundige bij DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Met behulp van deze röntgenfoto's, wetenschappers kunnen chemische toestanden en de transformaties van deze toestanden binnen nanomaterialen onderzoeken. De geavanceerde lichtbron bij LBNL, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, is een van 's werelds helderste bronnen van zachte röntgenstraling.

Met elk van deze lichtbronnen kunnen wetenschappers een ander aspect van de lithium-ion-puzzel bestuderen.

"Elke techniek heeft een soort tekortkoming met betrekking tot het volledige verhaal, " zei Jason Croy, een materiaalwetenschapper bij Argonne. "[Maar] elke techniek kan heel krachtig zijn om je bepaalde stukjes informatie te geven."

In feite, onderzoekers genieten van de uitdaging om de verschillende bevindingen samen te voegen.

"Het is een geweldig veld omdat het gebruik maakt van de sterke punten van alle faciliteiten, ' zei Shapiro.

Batterijen vanuit elke hoek onderzoeken

Wetenschappers van nationale laboratoria, universiteiten, en andere onderzoeksinstellingen gebruiken de uitzonderlijke instrumenten van de gebruikersfaciliteiten om dieper in de interacties van lithium te graven. Het werk aan de drie lichtbronnen wordt ondersteund door DOE's Office of Science.

Dislocaties bij Argonne begrijpen:Onderzoekers in Argonne bouwen voort op het werk dat heeft bijgedragen aan de kathode van de Chevrolet Volt. De oorspronkelijke studie probeerde de structuur van lithium met mangaan en andere vormen van overgangsmetaaloxide te begrijpen voordat het meerdere laad-ontlaadcycli doormaakte.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers kijken naar hoe de structuur van de batterij in de loop van de tijd verslechtert. Naarmate de batterij oplaadt en ontlaadt, de lithiumionen bewegen in en uit de anode en kathode. Echter, andere atomen in de elektroden bewegen ook, schade veroorzaken en het vermogen van de batterij om energie te leveren verminderen. Met behulp van de APS, wetenschappers onderzochten hoe deze afzonderlijke atomen bewegen en volgden hoe de structuur verandert door gebruik.

Momenteel, onderzoekers veranderen de structuren van batterijen en zien hoe die veranderingen de batterijen beïnvloeden. Ideaal, deze aanpassingen zullen de stabiliteit van de batterijstructuren verhogen, degradatie minimaliseren, en hun prestaties te verbeteren.

Brookhaven bekijkt batterijen in 5D:DOE's Brookhaven National Laboratory (BNL) heeft onlangs een nieuwe dimensie toegevoegd aan batterijonderzoek. Ze ontwikkelden de meest uitgebreide kijk op batterijen tot nu toe:een 3D-chemische kaart op nanometerschaal die veranderingen in de loop van de tijd in kaart brengt.

Normaal gesproken, Röntgenspectroscopie produceert 2D-beelden die het gemiddelde laten zien van wat er in een heel monster gebeurt. Het laat niet zien wat er in afzonderlijke lagen gebeurt.

In tegenstelling tot, het BNL-team combineerde de National Synchrotron Light Source (NSLS) - toen een DOE-gebruikersfaciliteit - en een unieke full-field transmissieröntgenmicroscoop om een ​​nieuwe röntgennano-beeldvormingstechniek te ontwikkelen. De wetenschappers hebben batterijmonsters 180 graden gedraaid onder harde röntgenstralen van verschillende röntgenenergieën.

"Dit is de eerste keer dat [we] in-situ de fasetransformatie in 3D kunnen volgen op nanometerschaal in een werkende batterijcel, " zei Jun Wang, een natuurkundige bij BNL.

Wang en haar collega's zullen hun werk bij de NSLS-II voortzetten, die zal volgen op de oorspronkelijke NSLS. De NSLS-II zal uiteindelijk stralen 10 leveren, 000 keer helderder dan zijn voorganger, waardoor wetenschappers deze reacties op een nog fijnere tijdschaal kunnen bestuderen.

Snel versus langzaam opladen bij Lawrence Berkeley:LBNL-onderzoekers onderzoeken hetzelfde probleem, maar vanuit een ander perspectief en met een andere machine. Met behulp van zachte röntgenstralen van de geavanceerde lichtbron (ALS), ze kijken naar hoe de laadsnelheid en of een batterij wordt opgeladen of ontladen de distributie en het transport van ionen beïnvloedt.

Een team van onderzoekers van de Stanford University, werken met LBNL, bouwde een doorzichtige batterij op nanoschaal die een tien miljardste van de lading van een smartphone heeft. Het stelt hen in staat om de beweging van individuele lithiumionen te observeren.

Ideaal, ionen moeten zich gelijkmatig over de elektroden verdelen terwijl ze heen en weer bewegen. Helaas, zij niet, op bepaalde plekken stress veroorzaken.

Het team ontdekte dat langzaam opladen in feite resulteerde in een meer onregelmatige distributie dan snel opladen. Dit was verrassend, gezien het feit dat snel opladen meestal als schadelijker voor de batterij wordt beschouwd. Ze ontdekten ook dat het opladen van de batterij een meer ongelijkmatige verdeling veroorzaakte dan het ontladen, of het gebruik van de batterij, doet.

Voortbouwend op dit onderzoek, Wetenschappers van LBNL kunnen mogelijk één bron van schade aan batterijen verminderen, hun prestaties en levensduur te verbeteren.