De nieuwste generatie lithium-ionbatterijen die nu in ontwikkeling is, belooft een revolutie in het voeden van mobiele telefoons, elektrische voertuigen, laptops en talloze andere apparaten. Met alle solid-state, niet-ontvlambare componenten, zijn de nieuwe batterijen lichter, houden ze hun lading langer vast, laden ze sneller op en zijn ze veiliger in gebruik dan conventionele lithium-ionbatterijen, die een gel bevatten die in brand kan vliegen.

Zoals alle batterijen hebben solid-state lithium-ionbatterijen echter een nadeel:door elektrochemische interacties kan impedantie - de AC-analoog van elektrische DC-weerstand - zich ophopen in de batterijen, waardoor de stroom van elektrische stroom wordt beperkt. Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben nu de locatie bepaald waar de meeste van deze opbouw plaatsvindt. Daarbij heeft het team een ​​eenvoudig herontwerp voorgesteld dat de opbouw van impedantie drastisch zou kunnen beperken, waardoor de batterijen hun rol als stroombron van de volgende generatie kunnen vervullen.

Een lithium-ionbatterij bestaat uit twee plaatvormige terminals, de anode (negatieve pool) en de kathode (positieve pool), gescheiden door een ionengeleidend medium dat de elektrolyt wordt genoemd. (De elektrolyt is een gel in het geval van gewone lithium-ionbatterijen, een vaste stof in de halfgeleiderversie.) Tijdens het ontladen stromen lithiumionen van de anode door de elektrolyt naar de kathode, waardoor elektronen gedwongen worden om rond een extern circuit te bewegen en genereer de elektrische stroom die apparaten van stroom voorziet.

Impedantie ontstaat typisch op het grensvlak tussen een van de twee elektroden en de elektrolyt. Maar het vinden van de exacte locatie vereist kennis van zowel de verdeling van lithiumionen als het verschil in spanning op elke interface.

Eerdere onderzoeken door andere teams konden het probleemgebied niet definitief lokaliseren, omdat het instrument dat ze gebruikten de gemiddelde impedantie over de hele batterij meette in plaats van deze op afzonderlijke plaatsen in het apparaat te meten. Het NIST-team, dat bestaat uit medewerkers van het Sandia National Laboratory in Livermore, Californië, het Naval Research Laboratory in Washington, D.C. en verschillende universiteiten, gebruikte twee complementaire methoden om de impedantie op nanoschaal te bestuderen in een solid-state lithium-ionbatterij.

Eén methode, Kelvin-sondekrachtmicroscopie, gebruikt de scherpe punt van een atoomkrachtmicroscoop die boven de verschillende lagen van een open batterij zweeft om de spanningsverdeling op elk oppervlak in beeld te brengen. De sonde onthulde dat de grootste spanningsdaling in de batterij optrad bij de elektrolyt/anode-interface, wat aangeeft dat dit een gebied met hoge impedantie was. (Als de hele batterij een lage impedantie had, zou de interne spanningsval geleidelijk en soepel variëren van plaats tot plaats in de cel.)

De tweede methode, neutronendiepteprofilering, maakt gebruik van een bundel energiezuinige neutronen die is gegenereerd in het NIST Center for Neutron Research om de nanoschaalverdeling en concentratie van lithium te onderzoeken. Omdat neutronendiepteprofilering de batterij niet schaadt, konden de onderzoekers de techniek toepassen terwijl de batterij werkte.

Toen laagenergetische neutronen uit de bundel werden geabsorbeerd door lithium in de batterij, produceerden ze energetisch geladen deeltjes, alfa (4He) en tritium (3H). Het aantal van deze geladen deeltjes dat wordt gegenereerd en de energie die ze vasthouden nadat ze door de lagen van de batterij zijn gegaan, geven de concentratie van lithiumionen op verschillende plaatsen in de batterij aan.

De metingen onthulden dat de belangrijkste plaats waar de lithiumionen zich hadden opgestapeld, waardoor de stroom van elektrische stroom werd verminderd, zich voordeed op de grens tussen de elektrolyt en de anode - dezelfde plaats waar de Kelvin-sondekrachtmicroscopie de grootste spanningsval had gedetecteerd.

Alles bij elkaar hebben de resultaten van de Kelvin-sondekrachtmicroscopie en neutronendiepteprofileringstechnieken ondubbelzinnig aangetoond dat de meeste impedantie ontstaat op de elektrolyt / anode-interface, zei teamlid Evgheni Strelcov van NIST en het NanoCenter van de Universiteit van Maryland in College Park.

Strelcov en andere onderzoekers, waaronder Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov en Nikolai Zhitenev van NIST en hun medewerkers, rapporteerden hun bevindingen op 19 oktober online in het tijdschrift ACS Energy Letters .

"Dit werk toont aan dat neutronendiepteprofilering, gecombineerd met Kelvin-sondekrachtmicroscopie en theoretische modellering, ons begrip van de interne werking van lithium-ionbatterijen blijft vergroten", aldus Weaver.

Bij het analyseren van hun bevindingen concludeerden de wetenschappers dat de impedantie die ze aan het grensvlak vonden aanzienlijk zou kunnen worden verminderd als er lagen ander materiaal tussen de anode en de elektrolyt werden toegevoegd. Het toevoegen van tussenliggende lagen die goed aan elkaar hechten, zou voorkomen dat het elektrolyt en de anode rechtstreeks met elkaar in wisselwerking staan. Dat is een voordeel, want wanneer een elektrolyt en de anode in direct contact staan, vormen ze soms een dun laagje materiaal dat het transport van de ionen belemmert.

"We willen de interfaces zo ontwerpen dat ze een hoge ionen- en elektronengeleiding hebben", zei Strelcov.