Het Argonne-team ontwikkelt een krachtige techniek om de kristallijne structuur van kathodematerialen op nanoschaal in drie dimensies te onderzoeken.

Een van de vele sterke punten van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) is het vermogen om diepe en brede multidisciplinaire teams samen te stellen om complexe wetenschappelijke problemen op te lossen. Deze teams beschikken over een schat aan faciliteiten van wereldklasse voor het uitvoeren van onderzoek, inclusief de Advanced Photon Source (APS) - een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit die ultraheldere, hoogenergetische röntgenstralen voor baanbrekend materiaalonderzoek.

Eén zo'n Argonne-team heeft een krachtige nieuwe techniek ontwikkeld om de kristallijne microstructuur voor de kathodematerialen van batterijen van de volgende generatie in drie dimensies te onderzoeken. Dergelijke batterijen zouden ooit een revolutie teweeg kunnen brengen in de energieopslag voor zowel transport als het elektriciteitsnet.

"Ons project vereiste een multidisciplinair team met expertise in batterijmaterialen en chemie, Röntgenverstrooiing, computerprogrammering en complexe data-analyse - expertise direct beschikbaar bij Argonne, " zei Raymond Osborn, co-hoofdonderzoeker van dit project in de Materials Science-divisie van Argonne, samen met Stephan Rosenkranz. "Dit is een perfect voorbeeld van wetenschap op schaal, gebruikmakend van Argonne's multidisciplinaire team en faciliteiten van wereldklasse om complexe problemen met een potentiële maatschappelijke impact op te lossen."

Het team bestond uit onderzoekers van vier Argonne-divisies:Materials Science, Chemische Wetenschappen en Engineering, Data Science en leren en X-ray Science. Postdoctoraal aangestelde Matthew Krogstad van de afdeling Materials Science was verantwoordelijk voor de belangrijkste innovaties die het succes van het project mogelijk maakten.

De sleutel tot succes was ook het gebruik van de hoogenergetische röntgenstralen die alleen beschikbaar zijn bij synchrotronfaciliteiten zoals de APS en de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) aan de Cornell University. "Zeer energierijke röntgenstralen, zoals die beschikbaar zijn bij de APS, diep doordringen in het kathodemateriaal, deze geavanceerde metingen mogelijk te maken, " zei Jonathan Lang, directeur van de afdeling X-ray Science van APS.

De vrucht van dit multidisciplinaire project is een belangrijk nieuw hulpmiddel om te onderzoeken wat er gebeurt tijdens het proces van "intercalatie" - het inbrengen van ionen tussen de lagen van een kathode wanneer een batterij elektriciteit opwekt. Na dit proces volgt 'de-intercalatie':de extractie van diezelfde ionen uit de kathode wanneer een batterij wordt opgeladen.

De conventionele lithium-ionbatterij werkt volgens dit proces. In de zoektocht naar betere kathodematerialen, wetenschappers hebben röntgen- en elektronendiffractie gebruikt om te bepalen hoe lithiumionen of andere intercalanten op lange afstand geordende structuren kunnen ontwikkelen. Dergelijke structuren belemmeren de beweging van de metaalionen in de kathode, waardoor het verwijderen en inbrengen ervan tijdens het fietsen wordt belemmerd en de batterijprestaties afnemen.

Tot nu toe aan het zicht onttrokken, echter, is de korte-afstandsbestelling geweest, die ook de ionische mobiliteit verstoort, maar kan niet worden waargenomen door conventionele diffractietechnieken.

"Korteafstandsorders zijn extreem uitdagend om te meten en nog moeilijker te modelleren, "Osborn merkte op, "maar recente ontwikkelingen bij synchrotronbronnen maken het nu praktisch om nieuwe technieken te gebruiken om de resultaten te visualiseren en de ionische correlaties in detail te volgen als een functie van temperatuur."

Het onderzoeksteam bereidde eerst een eenkristal van een gelaagd kathodemateriaal van vanadiumoxide met daarin natriumionen. Ze kozen voor dit materiaal omdat natrium-ionbatterijen worden beschouwd als een alternatief voor lithium-ionbatterijen vanwege de grotere overvloed en lagere kosten van natrium.

Bij APS en CHESS teamleden maten vervolgens de verstrooiing van hoogenergetische röntgenstralen van het kristal en bepaalden de korteafstandscorrelaties tussen de natriumionen in de kristalstructuur bij verschillende temperaturen. Uit deze metingen ze bepaalden de waarschijnlijkheid of elke mogelijke atomaire plaats in de kristalstructuur werd ingenomen door een atoom of niet, met behulp van een methode die bekend staat als '3-D-ΔPDF'.

"De gegevens zijn van zo'n hoge kwaliteit dat deze 3D-waarschijnlijkheidskaarten er net zo uitzien als afbeeldingen op atomaire schaal, ' zei Krogstad. 'Je kunt zien waar de natriumionen zijn zonder dat je een ingewikkelde analyse hoeft uit te voeren. We waren stomverbaasd toen we voor het eerst zagen hoe intuïtief de resultaten waren om te begrijpen."

Deze driedimensionale "afbeeldingen" onthulden dat de natriumionen een zigzagpatroon vormen in afzonderlijke kolommen tussen de vanadiumoxide-atomen (zie afbeelding). Deze atomaire ordening binnen de kristalstructuur neemt toe met afnemende temperatuur onder kamertemperatuur. In een natriumbatterij, de ionen zouden langs de zigzagpaden diffunderen.

"Hoe groter de verstoring in dat zigzagpatroon, " legde Osborn uit, "hoe beter voor ionenmobiliteit. En hoe beter de ionenmobiliteit, hoe beter de prestatie van het kathodemateriaal."

"Deze bevindingen leveren een veel beter begrip op van hoe orde-stoornis-overgangen de mobiliteit van natriumionen beperken, Rosenkranz zei. "Onderzoekers kunnen dergelijke metingen ook gebruiken om de effectiviteit van strategieën te beoordelen om dergelijke negatieve effecten te verminderen en daardoor de kathodeprestaties te verbeteren."

"Terwijl ons onderzoek zich richtte op een select kathodemateriaal in een natrium-ionbatterij, " voegde Rosenkranz toe, "Onze methode is van toepassing op het onderzoeken van de korteafstandsvolgorde in veel andere kristallijne materialen met een verscheidenheid aan technologische toepassingen als een functie van temperatuur of andere variabelen."

Dit onderzoek verscheen in Natuurmaterialen , "Reciproke ruimtebeeldvorming van ionische correlaties in intercalatieverbindingen."