Batterijonderzoekers die op zoek waren naar verbeterde elektrodematerialen, hebben zich gericht op "getunnelde" structuren die het gemakkelijker maken voor ladingdragende ionen om in en uit de elektrode te bewegen. Nu heeft een team onder leiding van een onderzoeker aan de Universiteit van Illinois in Chicago een speciale elektronenmicroscoop met een resolutie op atomair niveau gebruikt om aan te tonen dat bepaalde grote ionen de tunnels open kunnen houden, zodat de ladingdragende ionen de elektrode gemakkelijk kunnen binnenkomen en verlaten. en snel.

De bevinding wordt gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

"Er is aanzienlijk onderzoek gedaan om de energiedichtheid en vermogensdichtheid van lithium-ionbatterijsystemen te vergroten, " zegt Reza Shahbazian-Yassar, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en industriële techniek aan de UIC.

De huidige generatie, hij zei, is handig genoeg voor draagbare apparaten, maar de maximale energie en kracht die kan worden gewonnen, is beperkt.

"Dus voor een elektrische auto, we moeten de energie en het vermogen van de batterij verhogen - en ook de kosten verlagen, " hij zei.

Zijn team, waaronder medewerkers van het Argonne National Laboratory, Michigan Technological Institute en de Universiteit van Bath in het VK, heeft zich gericht op de ontwikkeling van een kathode op basis van mangaandioxide, een zeer goedkoop en milieuvriendelijk materiaal met een hoge opslagcapaciteit.

Mangaandioxide heeft een roosterstructuur met regelmatig uit elkaar geplaatste tunnels waardoor ladingsdragers, zoals lithiumionen, vrij in en uit kunnen bewegen.

"Maar om de tunnels te laten overleven voor een langdurige functie, ze hebben ondersteunende structuren nodig op atomaire schaal, " zei Shahbazian-Yassar. "We noemen ze tunnelstabilisatoren, en ze zijn over het algemeen groot, positieve ionen, zoals kalium of barium."

Maar de tunnelstabilisatoren, positief geladen zijn zoals de lithiumionen, elkaar moeten afstoten.

"Als lithium erin gaat, komt de tunnelstabilisator eruit?" Shahbazian-Yassar haalde zijn schouders op. "De onderzoeksgemeenschap was het niet eens over de rol van tunnelstabilisatoren tijdens de overdracht van lithium in tunnels. Helpt het, of pijn?"

De nieuwe studie vertegenwoordigt het eerste gebruik van elektronenmicroscopie om de atomaire structuur van tunnels in een eendimensionaal elektrodemateriaal te visualiseren - wat volgens de onderzoekers voorheen niet mogelijk was vanwege de moeilijkheid om monsters te bereiden. Het kostte hen twee jaar om de procedure vast te stellen om tunnels te zoeken in met kalium gedoteerde nanodraden van mangaandioxide tot op het niveau van één atoom.

Yifei Yuan, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt aan het Argonne National Laboratory en UIC en de hoofdauteur van het onderzoek, was toen in staat om een ​​krachtige techniek, aberratie-gecorrigeerde scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, te gebruiken om de tunnels in beeld te brengen met een resolutie van minder dan ngstrom, zodat hij er duidelijk in kon kijken - en hij zag dat ze veranderen in de aanwezigheid van een stabilisator-ion.

"Het is een directe manier om de tunnels te zien, " zei Yuan. "En we zagen dat wanneer je een tunnelstabilisator toevoegt, de tunnels breiden uit, hun elektronische structuren veranderen ook, en dergelijke veranderingen zorgen ervoor dat de lithiumionen in en uit kunnen bewegen, rond de stabilisator."

De bevinding toont aan dat tunnelstabilisatoren kunnen helpen bij de overdracht van ionen in tunnels en de snelheid van laden en ontladen, zei Shahbazian-Yassar. De aanwezigheid van kaliumionen in de tunnels verbetert de elektronische geleidbaarheid van mangaandioxide en het vermogen van lithiumionen om snel in en uit de nanodraden te diffunderen.

"Met kaliumionen die in het midden van de tunnels blijven, het capaciteitsbehoud wordt gehalveerd bij hoge cyclische stroom, waardoor de batterij langer zijn capaciteit kan vasthouden, " hij zei.