Van smartphones van de volgende generatie tot elektrische auto's met een groter bereik en een verbeterd elektriciteitsnet, betere batterijen stimuleren technologische innovatie. En om batterijen verder te brengen dan hun huidige prestaties, onderzoekers willen "onder de motorkap" kijken om te leren hoe de afzonderlijke ingrediënten van batterijmaterialen zich onder het oppervlak gedragen.

Dit kan uiteindelijk leiden tot batterijverbeteringen, zoals verhoogde capaciteit en spanning.

Maar veel van de technieken die wetenschappers gebruiken, kunnen alleen maar krassen op het oppervlak van wat er in batterijen aan het werk is. en een hooggevoelige röntgentechniek in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy trekt een groeiende groep wetenschappers aan omdat het een diepere, preciezere duik in de batterijchemie.

"Mensen proberen de werking van batterijen verder te brengen dan voorheen, " zei Wanli Yang, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) die een röntgentechniek heeft aangepast die bekend staat als RIXS (resonante inelastische röntgenverstrooiing), voor gebruik in ALS-experimenten gericht op batterijen en andere energiematerialen. De ALS produceert lichtstralen variërend van infrarood tot röntgenstralen ter ondersteuning van een verscheidenheid aan gelijktijdige experimenten die worden uitgevoerd door onderzoekers van over de hele wereld die de faciliteit gebruiken.

De techniek die Yang aanpaste voor batterijonderzoek, bekend als hoogrenderende mRIXS (mapping of RIXS), heeft bijzondere belangstelling gewekt van onderzoekers die ontwerpen voor elektroden bestuderen, dat zijn de batterijcomponenten waardoor stroom in en uit de batterij gaat. Eerder, RIXS stond vooral bekend als een hulpmiddel voor het onderzoeken van fundamentele fysica in materialen, en Yang, werken met theoretici en anderen, heeft geholpen om de techniek toe te passen op nieuwe onderzoeksgebieden.

"Wetenschappers probeerden in een batterijmateriaal te kijken - niet alleen aan de oppervlakte, maar ook in de bulk - om meer te weten te komen over de zuurstofatomen en metaaltoestanden, " zei Yang. "De meeste conventionele technieken missen ofwel de diepte van de sonde of de chemische gevoeligheid die door mRIXS zou kunnen worden geboden."

MRIXS kan worden gebruikt om monsters van batterij-elektroden te scannen om de chemische toestand van verschillende elementen op een specifiek punt in de laad- of ontlaadcyclus van de batterij te meten. Het is effectief in het meten van populaire batterijmaterialen, zoals die die bekend staan ​​als "lagere overgangsmetaaloxiden" die lichter en kosteneffectiever kunnen zijn dan sommige alternatieven.

Het kan onderzoekers vertellen of, en hoe volledig, batterijmaterialen winnen en verliezen elektronen en ionen - positief of negatief geladen atomen - op een stabiele manier, zodat ze kunnen leren hoe snel en waarom een ​​batterij degradeert, bijvoorbeeld.

Tijdens de werking van een batterij, het zuurstofatoom in een batterij-elektrode kan worden gereduceerd (elektronen winnen) en geoxideerd (elektronen verliezen), wat bekend staat als een "zuurstof-redox"-reactie. Een dergelijke verandering in zuurstoftoestanden bleek de batterijprestaties te belemmeren in studies van zogenaamde lithiumrijke elektroden, die mogelijk meer lithiumopslag en dus een hogere capaciteit bieden.

"Veranderingen van de zuurstoftoestand kunnen de batterij onveilig maken en ook andere nevenreacties veroorzaken" als het proces niet omkeerbaar is, zei Yang. "De structuur kan ook instorten."

Maar omkeerbare zuurstofredox die in de elektrode plaatsvindt, is een goede zaak. De mRIXS-techniek kan detecteren of de zuurstofredoxtoestanden omkeerbaar zijn, en kan ook metaaltoestanden in de elektrode detecteren.

Deze unieke mogelijkheid maakt mRIXS ook bijzonder nuttig voor studies van hoogspannings-, batterijmaterialen met een hoge capaciteit die een groeiend aandachtspunt zijn geworden voor batterij-R&D.

De techniek werkt door langzaam te scannen met röntgenstralen over een monster dat chemisch een punt in de oplaad- of ontlaadcyclus van de batterij behoudt. Een kaartscan duurt nu ongeveer drie uur per monster - zo'n volledige kaartscan zou dagen duren voordat het zeer efficiënte RIXS-systeem bij de ALS werd geïntroduceerd.

"Het unieke van het systeem hier zit niet alleen in de tijd voor het verzamelen van gegevens, maar het vermogen om naar onconventionele chemische toestanden te kijken die doorgaans niet erg stabiel zijn onder röntgenstralen, " zei hij. De verbetering van de detectie-efficiëntie is belangrijk bij het bewaren van het monster vóór het begin van eventuele schade veroorzaakt door de röntgenstralen. Dit is ook een technische uitdaging die kan worden aangepakt door toekomstige lichtbronnen met een sterk verbeterde röntgenhelderheid , zoals het ALS Upgrade (ALS-U) project, en ALS-wetenschappers werken nu aan het verder verbeteren van de detectie-efficiëntie.

De techniek is een integraal onderdeel geweest van verschillende batterijstudies die de afgelopen maanden zijn gepubliceerd:

• een studie, gepubliceerd in februari, gericht op de zuurstof-redoxtoestanden in een commercieel levensvatbaar lithiumbatterijmateriaal dat lithium bevat, nikkel, kobalt, mangaan, en zuurstof voor een elektrode die bekend staat als een kathode.
• Zuurstofredoxtoestanden in batterijmaterialen waren ook de focus van andere onderzoeken die in februari werden uitgevoerd, waaronder een gericht op een natriumbatterijmateriaal dat natrium bevat, lithium, mangaan, en zuurstof.
• Meer studies van lithiumrijke oxide-elektroden hebben mRIXS gebruikt om hun zuurstofchemie op te lossen:een onderzoek in januari was gericht op het verminderen van het spanningsgerelateerde batterijverval; en een ander onderzoek in maart toonde de snelle laad- en ontlaadwerking aan van een materiaal met omkeerbare zuurstofchemie.
• Een studie in november 2019 maakte ook gebruik van mRIXS om te kijken naar de toestanden van zwavel, in plaats van zuurstof, in lithiumrijke sulfidebatterijmaterialen.

Yang zei dat het toenemende gebruik van de techniek door de batterij-R&D-gemeenschap bemoedigend is, en onderzoekers van de ALS werken aan het opbouwen van meer capaciteit voor deze experimenten.

"De vraag neemt extreem snel toe en de ALS is bezig met het ontwikkelen van nieuwe RIXS-systemen met een nog hogere doorvoer vanwege deze aangetoonde capaciteit en toenemende vraag, ' zei Yang.

"Het is nieuw om RIXS te introduceren in onderzoek naar energiematerialen, " Yang voegde toe. "Als we bij de ALS na 10 jaar worden erkend als de mensen die een fundamentele natuurkundige techniek hebben gepusht voor het bestuderen van batterijen en andere energiematerialen, daar mogen we trots op zijn. "Dit is als een nieuw veld, en de gemeenschap had dringend behoefte aan een dergelijk instrument."