Ingenieurs streven ernaar smartphones te ontwerpen met batterijen die langer meegaan, elektrische voertuigen die honderden kilometers kunnen rijden op één lading, en een betrouwbaar elektriciteitsnet dat hernieuwbare energie kan opslaan voor toekomstig gebruik. Elk van deze technologieën is binnen handbereik - dat wil zeggen, als wetenschappers betere kathodematerialen kunnen bouwen.

Daten, de typische strategie voor het verbeteren van kathodematerialen is geweest om hun chemische samenstelling te veranderen. Maar nu, scheikundigen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe bevinding gedaan over batterijprestaties die wijzen op een andere strategie voor het optimaliseren van kathodematerialen. Hun onderzoek, gepubliceerd in Chemie van materialen en te zien in Keuze van de ACS-redactie , richt zich op het beheersen van de hoeveelheid structurele defecten in het kathodemateriaal.

"In plaats van de chemische samenstelling van de kathode te veranderen, we kunnen de rangschikking van zijn atomen veranderen, " zei corresponderende auteur Peter Khalifah, een chemicus bij Brookhaven Lab en Stony Brook University.

Vandaag, de meeste kathodematerialen bestaan ​​uit afwisselende lagen lithiumionen en overgangsmetalen, zoals nikkel. Binnen die gelaagde structuur, een klein aantal defecten kan meestal worden gevonden. Dat betekent dat atomen van een overgangsmetaal te vinden zijn waar een lithiumion hoort te zijn en vice versa.

"Je kunt een defect zien als een 'fout' in de perfectie van de structuur van het materiaal, " Khalifah zei. "Het is bekend dat veel defecten zullen leiden tot slechte batterijprestaties, maar wat we hebben geleerd, is dat een klein aantal defecten de belangrijkste eigenschappen daadwerkelijk zou moeten verbeteren."

Khalifah zegt dat een goed kathodemateriaal twee eigenschappen heeft:ionische geleidbaarheid (de lithiumionen kunnen goed bewegen) en elektronische geleidbaarheid (de elektronen kunnen goed bewegen).

"De aanwezigheid van een defect is als een gat porren tussen de lithiumion- en overgangsmetaallagen in de kathode, " zei hij. "In plaats van beperkt te blijven tot twee dimensies, de lithiumionen en elektronen kunnen in drie dimensies over de lagen bewegen."

Om deze conclusie te trekken, de wetenschappers moesten zeer nauwkeurige experimenten uitvoeren die de concentratie van defecten in een kathodemateriaal met veel grotere nauwkeurigheid dan ooit tevoren hebben gemeten.

"De concentratie van defecten in een kathodemateriaal kan variëren tussen twee en vijf procent, " zei Khalifah. "Vroeger, defecten konden alleen worden gemeten met een gevoeligheid van ongeveer één procent. In dit onderzoek, we hebben de defectconcentratie met uitstekende nauwkeurigheid gemeten - een gevoeligheid van een tiende van een procent."

Om deze precisie te bereiken, de wetenschappers voerden poederdiffractie-analyses uit met behulp van gegevens van twee DOE Office of Science User Facilities, de Advanced Photon Source (APS) bij DOE's Argonne National Laboratory en de Spallation Neutron Source (SNS) bij DOE's Oak Ridge National Laboratory.

Poederdiffractie is een krachtige onderzoekstechniek die de locatie van individuele atomen in een materiaal onthult door bundels van röntgenstralen te richten, neutronen, of elektronen bij het materiaal en bestuderen hoe de bundels buigen. In dit onderzoek, de wetenschappers voerden röntgenmetingen uit bij APS en neutronenmetingen bij SNS.

"Dit werk heeft een nieuwe manier ontwikkeld om structurele defecten en hun relatie tot diffractie- en verstrooiingssterkte te visualiseren, " zei Saul Lapidus, een fysicus in de X-ray Science Division bij APS. "Ik verwacht dat deze techniek in de toekomst veel zal worden gebruikt in de batterijgemeenschap om defecten en structurele karakteriseringen van kathodematerialen te begrijpen."

Khalifa heeft toegevoegd, "het vermogen om de concentratie van zwak verstrooiende elementen te meten met een gevoeligheid van een tiende van een procent zal ook nuttig zijn voor veel andere onderzoeksgebieden, zoals het meten van zuurstofvacatures in supergeleidende materialen of katalysatoren."

Met zulke nauwkeurige metingen van defectconcentraties, de wetenschappers zouden dan de relatie tussen defecten en de chemie van het kathodemateriaal kunnen bestuderen.

uiteindelijk, ze ontwikkelden een "recept" voor het bereiken van een defectconcentratie, die, in de toekomst, zou wetenschappers kunnen begeleiden om kathoden te synthetiseren van meer betaalbare en milieuvriendelijke materialen en vervolgens hun defectconcentraties af te stemmen voor optimale batterijprestaties.